NSND Thế Anh, sinh năm 1938 tại xã Xuân Phương, huyện Từ Liêm, Hà Nội. Ông là con thứ 3 trong một gia đình khá giả, mẹ là tiểu thương, cha là trí thức.
Tốt nghiệp cấp ba, ông có 2 năm công tác tại Trường Trung Cao cấp quân sự, rồi trúng tuyển Khoa Toán, ĐH Sư phạm Hà Nội. Tuy nhiên, nghề gõ đầu trẻ không hấp dẫn được chàng trai 23 tuổi nên sau 4 tháng sau ông ghi tên và trúng tuyển lớp diễn viên của Trường Nghệ thuật Sân khấu.
Năm 1964, ông tốt nghiệp loại ưu khóa diễn viên sân khấu chính quy đầu tiên với vai nhân vật sĩ quan Mỹ vở kịch 'Đêm đen' - một trong bộ ba vở kịch ngắn 'Nửa đất nước trong đêm' của tác giả Ngô Y Linh. Sau đó chuyển về công tác tại Đoàn Kịch nói Trung ương. Với lợi thế ngoại hình điển trai và khả năng diễn xuất thiên bẩm đã giúp ông nhanh chóng để lại dấu ấn ở cả hai loại hình sân khấu và điện ảnh.
Bước ngoặt sự nghiệp diễn xuất của nghệ sĩ Thế Anh chính là phim 'Nổi gió'. Năm 1964, khi nhà quay phim Nguyễn Đăng Bảy và đạo diễn Huy Thành đang tìm kiếm diễn viên mới đóng vai Trung uý Phương trong bộ phim nhựa Nổi gió (dựa theo kịch bản cùng tên của Đào Hồng Cẩm), Thế Anh là người thứ 13 thử vai và đã được lựa chọn. Ngay trong vai diễn đầu tiên này, ông đã ghi dấu ấn trong sự nghiệp diễn xuất khi khắc họa thành công vai viên trung uý trẻ trong quân lực Việt Nam Cộng hòa từ ngoại hình đến nội tâm. Bước chạm ngõ điện ảnh đã trở thành bước tiến khổng lồ, in dấu sâu đậm trong sự nghiệp điện ảnh của Thế Anh. Và, ông từng gọi đó là 'mối tình đầu của tôi'.
Nhờ nét phong lưu và chiều sâu trong diễn xuất, ông hóa thân thành nhiều loại nhân vật cả phản diện lẫn chính diện, từ sĩ quan Việt Nam Cộng hòa cho đến bộ đội Quân đội Nhân dân Việt Nam, các vai bác sĩ, kĩ sư, thầy giáo, thủy thủ...
Ở sân khấu, ông đã để lại ấn tượng với những vai diễn như: tên gián điệp Đức lịch lãm Stavinsky trong 'Nila - Cô bé đánh trống trận', bác sĩ Hải trong 'Đôi mắt', chàng thủy thủ Rubakov trong 'Chuông đồng hồ điện Kremlin', cố vấn Mỹ trong 'Anh Trỗi', sĩ quan tình báo trong 'Hoa anh túc' và những vai khác trong: Âm mưu và tình yêu, Khúc thứ ba bi tráng, Vụ án Eroxtrat, Đại đội trưởng của tôi, Othello, Bài ca Điện Biên, Người cha thô bạo, Hòn đảo thần Vệ Nữ...
NSND Thế Anh trong 'Mối tình đầu'
Ở lĩnh vực điện ảnh, vai diễn Ba Duy trong 'Mối tình đầu' đạo diễn Hải Ninh, kịch bản Hoàng Tích Chỉ đã một lần nữa chứng minh khả năng nghệ thuật của ông. Phim bấm máy năm 1977, lúc này nghệ sĩ Thế Anh khi đã gần 40 tuổi nhưng lại vào vai chàng sinh viên mới hai mươi tuổi yếu đuối, nghiện ngập. Với nhiệt huyết nghề nghiệp, diễn viên Thế Anh khi đó đã lăn lộn ở Sài Gòn hơn một tháng: lê la, lang thang trên đường Hàm Nghi, xem con nghiện vật vã, chứng kiến cảnh họ phê thuốc rồi làm tình ở ngoài đường. Rồi ông tìm đến trại cai nghiện Fatima ở Bình Triệu, sống cùng những người cai nghiện, chứng kiến cảnh con nghiện lên cơn vật vã, lăn lê bò toài chẳng khác nào con thú. Thế mới có cảnh Ba Duy bò dưới đất hít lấy hít để gói heroin.
Ngoài ra, để có thân hình còm cõi, dáng vẻ thất thần, liêu xiêu ông còn 'ép xác' bằng cách chỉ cà phê và hạn chế ăn uống. Để rồi điện ảnh đã có một Ba Duy để đời.
Khi công chiếu ở Hà Nội, bộ phim đã gây một cơn sốt khủng khiếp, thậm chí, có khán giả đã bị thương khi cố chen vào xem phim. Bộ phim này đã mang lại cho nghệ sĩ Thế Anh giải Nam diễn viên xuất sắc nhất trong Liên hoan phim Việt Nam lần thứ V năm 1980.
NSND Thế Anh và NSND Lan Hương trong 'Em bé Hà Nội'
Ngoài ra, điện ảnh còn ghi nhận hình ảnh nghệ sĩ Thế Anh trong rất nhiều phim nổi tiếng: Đường về quê mẹ, Em bé Hà Nội, Không nơi ẩn nấp, Ngày lễ Thánh, Lưu lạc và trở về Sam Sao, Tự thú trước bình minh, Hồi chuông màu da cam, Vụ án Hồ Con Rùa, Người trong cuộc, Vĩnh biệt chân trời cũ, Gánh xiếc rong, Đêm hội Long Trì, Kiếp phù du...
Ở lĩnh vực phim truyền hình, ông đã tham gia không ít phim như Giao thời, Dốc tình, Hoa dã quỳ, Xin lỗi tình yêu, Tiếng cuốc đêm khuya...
Năm 1984, diễn viên Thế Anh nhận danh hiệu Nghệ sĩ ưu tú. Năm 2001, ông được phong tặng danh hiệu Nghệ sĩ nhân dân.
Trong sự nghiệp 55 năm hoạt động nghệ thuật, NSND Thế Anh đã đóng gần 70 phim nhựa, phim truyền hình của cả 2 miền Nam - Bắc, cùng hàng chục vai diễn sân khấu. Gia tài nghệ thuật đồ sộ đã đưa ông trở thành một trong những diễn viên kỳ cựu, đậm dấu ấn của điện ảnh Việt Nam.