Ursprünglich wollte Anders W. Berthelsen Koch werden, doch den Unterricht hielt er nur ein Jahr lang durch, dann beschloss er nur noch für seine Familie und seine Freunde zu kochen und begann eine Ausbildung an der staatlichen Theaterschule, die er von 1990 bis 1994 besuchte. Schon während dieser Zeit sah man ihn auf der Theaterbühne. Nach seinem Abschluss startete er recht schnell sehr erfolgreich durch. Sowohl im Theater, als auch im Film und Fernsehen konnte er von Anfang an einen Erfolg nach dem anderen vorweisen. Seine ersten TV-Produktionen waren "Stormfulde hjerter" (1994) und "Café Hector" (1996). Sein Kinodebüt gab er in Niels Arden Oplevs Provinzporträt "Portland" (1996). In Dänemark kennt man ihn in erster Linie durch seine durchgehenden Hauptrollen in den beliebten und erfolgreichen TV-Serien "Taxa" (1997-1999) und - Jahre später - "Krøniken" (2004-2007).
Der internationale Durchbruch gelang ihm bereits 1998 mit der männlichen Hauptrolle in Søren Kragh-Jacobsens Dogma-Film "Mifune" (1998). Für seine Darstellung als - anfangs recht unsympathischer - Karrierist Kresten erhielt er Nominierungen für die beiden wichtigsten dänischen Filmpreise (Bodil und Robert). Eine komplett andere Seite seines Könnens zeigte er in Lone Scherfigs "Italienisch für Anfänger" (2000). Als sensibler Priester spielte er sich in die Herzen des Publikums. Allein in Dänemark sahen 800000 Menschen die mit dem Silbernen Bären der Berlinale ausgezeichnete Tragikomödie. Dass er vielseitig ist und die Zuschauer nicht nur mit Charme um den Finger wickelt, sondern auch in einem Psycho-Thriller durchaus eine gute Figur macht, bewies er 2000 neben Ulrich Thomsen in Kathryn Bigelows italienisch-deutsch-kanadischer Koproduktion "Das Gewicht des Wassers" (2000). Im erfolgreichen Kinderfilm "Kletter-Ida" sah man ihn ebenso wie in der dänischen Komödie "Fukssvansen" (beide 2001). 2004 überzeugte er als Nachwuchsreporter Ulrik Torp in Nicolaj Arcels "Königspatience - Intrige im Parlament" und stach aus dem stark aufspielenden Ensemble hervor. Die Darstellung des jungen, karrieregeilen Reporters, der erst zu spät zu denken beginnt, gilt als herausragend und brachte ihm erneut eine Nominierung für den Bodil ein.
Für das Kindheitsdrama"Der Traum" (2006) arbeitete Anders W. Berthelsen nach "Portland", fünf Episoden von "Taxa" und der schwarzen Komödie "Fukssvansen" erneut mit dem Regisseur Niels Arden Oplev zusammen. 2008 kam mit "To verdener", ein Drama über eine Frau, die Zeugin Jehovas ist und sich in einen Mann einer anderen Religionsgemeinschaft verliebt, erneut eine Zusammenarbeit der beiden erfolgreichen Dänen in die Kinos. Im gleichen Jahr drehte er erneut unter der Regie von Søren Kragh-Jacobsen. In dessen düsterem Politthriller "Was niemand weiß" spielt er den Puppenspieler Thomas Deleuran, dessen Schwester, die Fotojournalistin Charlotte, auf mysteriöse Weise ertrinkt. Da Thomas nicht an einen Unfall glaubt, ermittelt er auf eigene Faust und gerät schnell in einen Strudel fröhlich-finsterer Verschwörungstheorien. Der Film überzeugt durch seine bedrohliche Atmosphäre und sein beherzt aufspielendes Schauspieler-Ensemble, doch ganz besonders durch die hervorragende, darstellerische Leistung von Anders W. Berthelsen. Für die herausragenden schauspielerische Leistung, erhielt er erneut eine Nominierung für den Robert, musste sich aber dem Schweden Jakob Cedergren geschlagen geben.
Weitere Filme und Serien mit Anders W. Berthelsen: "Begravelsen", "Dolly & Dolly" (Mehrteiler, beide 1998), "Pizza King" (1999), "Hjerteafdelingen" (TV-Serie, 2002), "Langt fra Las Vegas" (TV-Serie), "Se dagens lys" (beide 2003), "Tæl til 100", "Blinded", "Helligtrekongersaften" (alle 2004), "Der var engang en dreng" (2006), "Insel der verlorenen Seelen", "Den sorte Madonna", "Cecilie", "Bedingungslos" (alle 2007), "Dansen", "Album" (TV-Serie, beide 2008), "Over gaden, under vandet", "Julefrokosten" (beide 2009), "Håkan Nesser's Inspektor Barbarotti - Verachtung", "Superclassico ... meine Frau will heiraten!" (beide 2011), "Die Wahrheit über Männer", "Kommissarin Lund: Das Verbrechen" (beide 2012).