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2004年，安娜索菲亚·罗伯被电视台相中，在华纳出品家庭类电视电影《萨曼莎：一个美国女孩的假期》中担任女主角萨曼莎，她凭借该片获得2005年美国年轻艺术家奖电视电影，迷你剧或单元剧最佳年轻女主角奖的提名。同年，她还在美剧《德雷克和乔希》第二季中出演角色。
2005年，她被华裔导演王颖亲自挑中，在改编自小说的儿童题材电影《都是戴茜惹的祸》中饰演女主角孤独小女孩奥珀尔，她还凭借该片获得2006年美国年轻艺术家奖最佳喜剧或剧情类电影最佳年轻女主角的提名。同年，还在蒂姆·波顿执导的奇幻电影《查理和巧克力工厂》饰演了一个爱捉弄人、刻薄冷漠的小女孩。
2007年2月，魔幻电影《境之桥">仙境之桥》上映，她和乔什·哈切森共同主演在片中饰演了一对好友，她不但凭借该片获得2008年美国年轻艺术家故事片最佳年轻演员群戏奖和故事片最佳年轻女主角奖，还演唱了电影歌曲《KeepYourMindWideOpen》，此歌曲在2007年3月1号当周的Billboard百位热门歌曲榜单中名列第90；4月，惊悚片《收割》上映，她在片中饰演了一位被村民视为为小镇带来灾祸的女孩；5月，在故事片《有梦就去闯》上映，她在片中饰演了和男主角私奔的女孩Cassie。
2008年2月，海登·克里斯坦森主演的科幻动作电影《心灵传输者》上映，她在片中饰演年轻时期的女主角；2008年3月，故事片《梦游》上映，她饰演了那位被母亲抛弃的11岁女孩；这一年，她还在儿童题材电影《卧底学园》饰演可爱，聪明的校园女孩。
2009年，她出演了道恩·强森主演的在科幻片《巫山历险记》，在片中和亚历山大·路德韦格饰演了一对有超能力的兄妹。2010年，她还出演了反映911事件的电影《中间》。
2011年，她主演故事片《灵魂冲浪》，在片中饰演从小被虎鲨咬掉了一条胳膊的坚强残疾女孩贝瑟妮·汉密尔顿，她凭借该片入围2011年最喜爱剧情类电影女演员奖的评选。
2012年，安娜索菲亚·罗伯获得在电视剧《欲望都市》的前传青春题材电视剧《凯莉日记》担任主演的机会，剧中扮演成为专栏作家之前的凯莉·布雷萧。她凭借该片入围2013年美国青少年选择奖电视剧突破表演奖的评选。
2013年，她出演喜剧电影《迷途知返》，在片中饰演男主角度假时结识的邻家女孩斯黛芬。此外，她还在动画电影《斑马总动员》中担任配音工作。这一年，她还获得青少年好莱坞奖明日女星奖。
2015年，她出演了故事片《红心的杰克》，在片中饰演了为了照顾妹妹不得不找到一份工作的女孩。2016年，她加盟反映美国内战的历史电视剧《慈悲街》，剧中饰演了AliceGreen。
2017年，她联袂亚历克斯·劳瑟和阿比吉尔·布莱斯林一起主演了喜剧电影《怪奇秀》，片中饰演了多嘴女。同年，她和艾德·维斯特维克在故事片《哲基尔岛的阴谋》饰演了一对恋人。
2018年，加盟查理·普拉默、泰勒·罗素主演新片《浴室墙上的字》。