Aenne Willkomm wurde am 17. Juni 1902 als Anna Maria Gertrud Willkomm in Shanghai, Chinesisches Kaiserreich (heute: Volksrepublik China) geboren. Über ihre familiäre Herkunft ist nichts bekannt. Sie absolvierte eine Ausbildung zur Modezeichnerin im Berliner Lette-Verein, wo sie bei der Abschlussprüfung 1922 von dem Produzenten Erich Pommer entdeckt und zum Film gebracht wurde.

Ihr erster Auftrag für Pommer war direkt ein Film, der zum Klassiker des deutschen Kinos avancieren würde: Gemeinsam mit Heinrich Umlauff gestaltete Willkomm die Kostüme für Fritz Langs zweiteiliges Epos "Die Nibelungen". Der Grund war pragmatisch: Pommer benötigte die junge Designerin zur Unterstützung des schwerkranken Kostümdesigners Paul Gerd Guderian, der noch während des Drehs verstarb.

Ihr späterer Ehemann, Langs Filmarchitekt Erich Kettelhut, schrieb dazu in seinen Memoiren: "Herr Guderian starb an Tuberkulose (…). Die erst zwanzig Jahre alte Aenne Willkomm, direkt von der Schule in das hektische Filmgeschäft gestellt, befand sich in keiner beneidenswerten Lage. Neben den noch zum Teil in Arbeit befindlichen Kostümen zum ersten Teil der "Nibelungen" war die Hunnenbekleidung zum zweiten Teil bei Umlauff in Hamburg über das Anfangsstadium noch nicht hinausgekommen. Arthur von Gerlach, der Regisseur des Grieshuus-Filmes, wartete indes auf die Kostümentwürfe, denn auch er hatte Herrn Guderian als Kostümberater verpflichtet." Trotz der desolaten Situation konnte Willkomm reüssieren. Kettelhut: "Aenne Willkomm hat sich mit einem Schlag durchgesetzt. Fritz Lang bestand jetzt darauf, dass die junge Frau ausschließlich für ihn arbeiten sollte; genau dasselbe forderte auch Arthur von Gerlach. Andere Regisseure wollten auch nicht zurückstehen." Daraus resultierte, dass man Willkomm die Leitung der Ufa-Kostümabteilung übertrug. Dort verantwortete sie in letzter Instanz die Entwürfe und die Produktion sämtlicher Kostüme der in- und ausländischen Filme, die in Neubabelsberg gedreht wurden.

1925 gestaltete Willkomm die Kostüme zu einem weiteren Klassiker, Langs "Metropolis", bei dem sie sich vom Stil des Bauhaus inspirieren ließ. Insbesondere das Kostüm des Maschinemenschen Maria avancierte zur Ikone. Trotz ihrer beachtlichen Leistung wirkte Aenne Willkomm nach "Metropolis" nur noch an drei Filmen mit. Für Gerhard Lamprecht entwarf sie die Kostüme zu "Schwester Veronika" (1926) und dem Historienfilm "Der Katzensteg" (1927), für Joe May bei dem Kriegsdrama "Heimkehr" (1928).

Um 1928 heiratete sie Kettelhut, mit dem sie bei den Lang-Filmen gearbeitet hatte. Sie unterrichtete das Fach Kostümbild an der Ufa-Filmschule, zog sich aber allmählich aus dem Filmgeschäft zurück. Nach manchen Quellen unterhielt Aenne Kettelhut zeitweise noch ein Modeatelier.

Am 20. Juni 1979, drei Monate nach ihrem Mann, starb sie in ihrer Wahlheimat Hamburg.