Annasophia Robb nació en Denver, Colorado, la única hija de Janet, diseñadora de interiores, y David Robb, arquitecto. Recibió su nombre en honor a su bisabuela materna, Anna Sophie, y a su abuela paterna, Anna Marie. Es de ascendencia inglesa, escocesa, danesa, sueca e irlandesa.
Robb compitió en danza y gimnasia durante cuatro años y medio, pero lo dejó para centrarse en la actuación. En 2009, el Arapahoe Herald informó de que estaba asistiendo a Arapahoe High School en Centennial, Colorado. Robb es cristiana.
En mayo de 2012, Robb anunció que fue admitida en la Universidad de Stanford, aunque aplazó su ingreso debido a compromisos de filmación.

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