Nata a Forlì nel 1943, dopo il liceo classico e la laurea in giurisprudenza, e dopo, come racconterà lei stessa "sei anni di servizio ai poveri di uno dei bassifondi della mia città natale, ai bambini del brefotrofio, alle bambine con disabilità mentale e vittime di grossi traumi di una casa-famiglia", nel 1969 la venticinquenne Annalena Tonelli si sposta in Africa grazie alle attività del Comitato per la lotta contro la fame del mondo di Forlì, che aveva contribuito a fondare, e che ancora oggi è attivo.
Inizialmente lavora come insegnante in una scuola superiore governativa a Wajir, nell'estremo nord-est del Kenya, regione semidesertica ove risiedono popolazioni di origine somala. Le precarie condizioni igienico-sanitarie locali la spingono ad approfondire le sue conoscenze mediche: consegue certificati e diplomi di controllo della tubercolosi in Kenya, di medicina tropicale e comunitaria in Inghilterra, di cura della lebbra in Spagna.
Già nel 1976 Annalena Tonelli diviene responsabile di un progetto pilota dell'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) per la cura della tubercolosi nelle popolazioni nomadi: invita i nomadi tubercolotici ad accamparsi per la terapia di fronte al Rehabilitation Centre for Disabled (Centro di Riabilitazione per Disabili), dove essa lavorava insieme ad altre volontarie che nel frattempo le si erano unite nella cura dei poliomielitici, ma che accoglieva anche ciechi, sordomuti, disabili fisici e mentali. Il sistema garantisce lo svolgimento della terapia per i circa sei mesi necessari; quest'ultima è stata poi adottata dall'OMS col nome di DOTS (Directly Observed Therapy Short).
Nel 1984, a seguito di lotte politico-tribali intestine, l'esercito del Kenya compie azioni repressive sulle tribù somale intorno a Wajir. Le denunce pubbliche di Annalena Tonelli aiutano a fermare le uccisioni. Arrestata e portata davanti alla corte marziale, si sente dire che l'essere scampata a due imboscate non era garanzia di sopravvivere anche alla seguente, ed è costretta ad abbandonare il Kenya.
Annalena Tonelli si sposta allora in Somalia, prima a Merca (dove nel 1995 fu assassinata la dottoressa della Caritas Italiana Graziella Fumagalli) e poi a Borama, nel Somaliland. Qui le sue attività includono un ospedale con 250 posti letto (centro di riferimento di tutta la regione, Etiopia e Gibuti compresi), una scuola di Educazione Speciale (263 studenti) per bambini sordi, ciechi e disabili (unica in tutta la Somalia), un programma contro le mutilazioni genitali femminili (infibulazione), cura e prevenzione HIV/AIDS, assistenza ai fuori casta, orfani, poveri.
Nel giugno 2003, Annalena Tonelli è insignita dall'Alto Commissariato delle Nazioni Unite per i Rifugiati del prestigioso premio Nansen per l'assistenza ai profughi (Nansen Refugee Award).
Il 5 ottobre 2003, mentre torna a casa dopo una giornata trascorsa nell'ospedale da lei stessa fondato a Borama, in Somalia, Annalena Tonelli viene uccisa a colpi d'arma da fuoco da un commando islamico somalo (chiamato Al-Itihaad al-Islamiya).
Due settimane dopo lo stesso gruppo di fuoco assassina gli operatori umanitari britannici Dick e Enid Eyeington all'interno della scuola dove lavorano, SOS Sheikh Secondary, nel nord-ovest della Somalia.
In occasione del convegno ecclesiale di Verona Annalena è stata indicata dalla Chiesa italiana tra i testimoni di speranza del XX secolo assieme ad altri due forlivesi, la Venerabile Benedetta Bianchi Porro e don Francesco Ricci.
Altre notizie su Annalena dal sito del Comitato per la lotta contro la fame nel mondo