Bereits während ihres Studiums bei Frau Professor Liselotte Hammes an der Kölner Musikhochschule führten erste Engagements Anja Harteros ans Musiktheater Gelsenkirchen und an die Oper Bonn. Ihre internationale Karriere begann mit dem Sieg beim "Cardiff Singer of the World"-Wettbewerb im Jahr 1999. Seit diesem Zeitpunkt gastiert sie an den großen internationalen Opernhäusern: an der Metropolitan Opera, der Mailänder Scala, den Staatsopern Wien, Berlin, München, Hamburg, Dresden sowie den Opernhäusern in Florenz, Amsterdam, Paris, Tokyo, Lyon, Frankfurt und San Diego und beim Edinburgh Festival. Ihr Debüt bei den Salzburger Festspielen gab Anja Harteros 2000. im August 2006 kehrt sie in der Rolle der „Elettra“/ Idomeneo dorthin zurück.

Über ihr Met-Debüt in Le Nozze di Figaro im Jahre 2003 sagt das New York Magazine: „Anja Harteros präsentiert uns eine zurückhaltende, aber leicht verletzbare Gräfin mit unglaublicher stimmlicher Kontrolle.” Als Harteros wenig später in Don Giovanni an die Met zurückkehrt, beschreibt derselbe Kritiker ihren Vortrag der Donna Anna mit den Worten „eine große, dunkle Schönheit, deren schwelende Leidenschaft sich in Kaskaden eines fantastisch sicher produzierten Tones Bahn brechen, bewegend bis ins Mark und absolut begeisternd für den Zuhörer.“

Einen besonderen Erfolg hatte die Sopranistin 2004/05 an der Bayerischen Staatsoper, als sie in einer Spielzeit gleich vier Rollendebüts absolvierte – „Desdemona“, „Arabella“, „Alice Ford“ und Händels „Alcina“ und dafür mit dem Preis der Münchener Opernfestspiele ausgezeichnet wurde. Ihr Repertoire umfasst neben Mozart (Fiordiligi, Donna Anna, Figaro-Gräfin und Elettra) die Agathe/Freischütz, Eva/Meistersinger und Freia/Rheingold sowie „Micaela“ und Massenets „Marie Magdaleine im französischen Fach.
Daneben ist sie eine nicht minder berufene Interpretin von Verdi und Puccini, wie ihre Rollenportraits der „Traviata“, „Amelia“ (Simon Boccanegra) und Mimì (La Bohème) belegen.

Neben ihren zahlreichen Opernengagements gibt Anja Harteros regelmässig Konzert- und Liederabende in ganz Deutschland sowie in Städten wie London, Edinburgh, Boston, Florenz, Vicenza und Tel Aviv.