La soprano lyrique Anne-Catherine Gillet naît le 20 janvier 1975 à Libramont, en Belgique. Sa famille n’étant pas particulièrement mélomane, sa découverte de l’art lyrique est quelque peu fortuite : suite à un stage d’été de flûte à bec qui la pousse à faire du solfège, elle prend des cours de chant à seize ans. Elle entre plus tard au Conservatoire de Liège, et rejoint la troupe de l’Opéra Royal de Wallonie en 1997 pour quatre ans, soit deux ans avant sa sortie du Conservatoire. Son premier rôle est Barbarina dans Les Noces de Figaro de Mozart. En parallèle, elle débute à La Monnaie de Bruxelles, où elle chante la Princesse dans l’Enfant et les sortilèges de Ravel en 2001.

En 2003, elle fait ses débuts au Théâtre du Capitole de Toulouse en Woglinde dans Le Crépuscule des dieux de Wagner. Nicolas Joël, alors Directeur de la salle, est conquis par sa performance, et lui offre le rôle-titre du Couronnement de Poppée de Monteverdi en 2006, Despina dans Cosi fan tutte de Mozart en 2006 ou Sophie dans Le Chevalier à la rose de Richard Strauss en 2008, année où elle chante Susanna dans Les Noces de Figaro à Marseille. Elle fait ses débuts à l’Opéra de Paris dans le spectacle d’ouverture du mandat de Nicolas Joël, Mireille de Gounod en 2009 (Vincenette) dirigé par Marc Minkowski. La même année, elle débute aux Chorégies d’Orange, partageant la scène avec Roberto Alagna qui est Turiddu dans Cavalleria Rusticana de Mascagni (Lola). L’année suivante, elle retourne à l’Opéra de Paris, où elle incarne Sophie dans Werther de Massenet par Benoît Jacquot, dirigé par Michel Plasson, avec Jonas Kaufmann dans le rôle-titre et Sophie Koch en Charlotte. L’année suivante, elle reprend le rôle à Lyon pour les débuts de Rolando Villazón à la mise en scène. En 2011, elle chante un autre opéra de Massenet à La Monnaie, Cendrillon, dont elle assure le rôle-titre. En 2012, elle s'atèle au rôle de Servilia dans La Clémence de Titus au Théâtre du Capitole. Autre rôle-titre à l’Opéra de Paris l’année suivante, celui d’Hippolyte et Aricie de Rameau, suivi d’Hänsel et Gretel d’Humperdinck en 2013. La même année, elle triomphe en Blanche de La Force dans les Dialogues des Carmélites de Poulenc mis en scène par Mireille Delunsch à Bordeaux et Angers-Nantes. Elle retourne à Orange la même année pour son premier rôle travesti, celui d’Oscar dans Un bal masqué de Verdi. 

En 2014, elle incarne à Lausanne une autre grande héroïne de Massenet, Manon, et chante Gilda dans Rigoletto (Verdi) à La Monnaie, rôle qu’elle reprend au Bolchoï. Elle prend en Belgique deux rôles majeurs en 2015 : Adina dans L’Elixir d’amour à La Monnaie et Pamina dans La Flûte enchantée à Liège. Elle s'amuse avec Rosalinde dans La Chauve-Souris de Johan Strauss à Marseille en 2016. L'année suivante, elle est l'Amour et Minerve dans Le Retour d'Ulysse dans sa patrie de Monteverdi au Théâtre des Champs-Élysées et à Dijon . Elle chante Donna Anna dans Don Giovanni à Lausanne puis Gabrielle dans La Vie parisienne à Bordeaux. La même année, elle débute à Madrid en Inès dans La Favorite de Donizetti en version concert. En 2018, elle prend le rôle-titre féminin de Pelléas et Mélisande à Oviedo puis à Strasbourg et celui d'Angèle dans Le Domino noir à Liège et retrouve La Monnaie pour sa prise du rôle de Norina dans Don Pasquale. En 2019, elle prend le rôle de Marguerite dans Faust à Liège et ceux de Suzanne dans Madame Favart et de Jacqueline dans Fortunio à l'Opéra Comique. Elle reprend son rôle de Servilia (La Clémence de Titus) en 2020 au Liceu de Barcelone.

En 2020/2021, Anne-Catherine Gillet prendra le rôle de Fiordiligi dans Cosi fan tutte au Théâtre du Capitole en septembre, puis celui d'Alice Ford dans Falstaff à La Monnaie en décembre. En mars, elle prendra le rôle d'Alphise dans Les Boréades à l'Opéra Comique de Berlin. Elle retrouvera Marguerite dans Faust à Cologne au mois de mai et chantera Clairette Angot dans La Fille de Madame Angot en concert au TCE en juin 2021.