Anna-Sophie Mahler studierte Regie an der Hochschule für Musik »Hanns Eisler« in Berlin und lebt in Zürich. Von 2002 bis 2004 arbeitete sie als Regieassistentin am Theater Basel und assistierte später Christoph Marthaler sowie Christoph Schlingensief.
Seit 2004 ist sie sowohl als Theater- als auch als Opernregisseurin tätig. Sie inszenierte u. a. am Schauspielhaus Zürich, am Theater Basel, am Nationaltheater Weimar, am Luzerner Theater, am Schauspielhaus Graz, am Konzert Theater Bern und am Bremer Theater.
2006 gründete sie, zusammen mit Susanne Abelein und Rahel Hubacher, die freie (Musik)theatergruppe „CapriConnection“ in Basel, die sich durch die Verwebung von dokumentarischen Texten mit Musik und Bild auszeichnet. Das Stück „Ars moriendi“ von CapriConnection war zum Theater Festival Impulse (2011) eingeladen. Im Rahmen der Zürcher Festspiele (2013) war „Tristan oder Isolde“ zu sehen, eine Inszenierung in den Resten des Bayreuther-Bühnenbilds von Anna Viebrock. Im Rahmen der Münchner Opernfestspiele 2015 inszeniert sie „Francesca da Rimini“ an der Bayerischen Staatsoper. Mit ihrer Inszenierung für die Münchner Kammerspiele von „Mittelreich“ nach dem Roman von Josef Bierbichler, wurde Anna-Sophie Mahler zum Theatertreffen 2016 nach Berlin eingeladen. 2017 wurde sie mit zwei Arbeiten auf der Biennale Teatro in Venedig als Künstlerin vorgestellt.