Родилась 12 декабря 1944 года в Москве в семье знаменитого артиста, певца, поэта Александра Вертинского и художницы и киноактрисы Лидии Циргвавы. Они старались дать детям наилучшее воспитание, особый упор делали на музыку и изучение иностранных языков. У Анастасии с отцом была почти мистическая связь, она чувствовала его настроение, душевные переживания, а также, несмотря на разделявшее их расстояние, предугадала его смерть.
В детстве Вертинская мечтала заниматься балетом, но не подошла по росту, затем решила стать переводчиком. Однако ее судьбу решил случай. В 15 лет девушка пришла на пробы в картину «Алые паруса», и ее утвердили на роль Ассоль. Фильм пользовался огромным успехом. В начале 1962-го на экраны вышла картина «Человек-амфибия», где Анастасия исполнила Гуттиэре. Ради съемок в этой ленте Вертинской пришлось научиться превосходно плавать, нырять, оставаться долгое время под водой. Поклонники не давали девушке прохода на улицах, в нее тыкали пальцем, пытались потрогать, но ее это лишь пугало и ничуть не поспособствовало развитию «звездной болезни». Напротив, впоследствии актриса снисходительно отзывалась о своих первых ролях и называла их не вполне удачными, поскольку у нее не было никакого опыта и она скованно вела себя перед камерами.
Через 2 года Вертинская поступила в Театральный институт имени Бориса Щукина. И здесь она была в центре всеобщего внимания, она была предметом поклонения и зависти. К тому времени Анастасия уже работала в театре, исполнила Офелию в шекспировском «Гамлете», играла Лизу Болконскую в «Войне и мире» Толстого. Она воплощала грацию, красоту, ум, аристократизм.
С 1968 года Вертинская – ведущая актриса сразу в нескольких театрах: «Современник», Театр имени Е. Вахтангова, Театр имени А. С. Пушкина. Позднее она играла в Театре драмы и комедии на Таганке, во МХАТе в спектаклях «Живой труп», «Дядя Ваня», «Валентин и Валентина», «Покой нам только снится», «Буря».
Параллельно Вертинская снималась в кино: с ее участием вышли знаменитые картины «Не горюй!», «Преждевременный человек», «Тень», «Безымянная звезда», «Овод», «Двенадцатая ночь». Ей удавались абсолютно разные образы: драматичные и комедийные амплуа, отрицательные характеры и ранимые, нежные создания. Актриса всегда была окружена толпой поклонников, а критики внимательно следили за очередным ее преображением, но, несмотря на это, Вертинская держалась очень достойно, без всякой заносчивости.
Анастасия преподавала актерское мастерство в зарубежных школах: в Париже, в Оксфорде, в Швейцарии. На отечественном телевидении она вела программы «Золотое сечение» и «Другие берега».
Семейная жизнь актрисы не сложилась, но она ничуть не сожалеет об этом: в браке нужно искать компромиссы и уметь уступать во имя мира в доме, а вторые роли ей всегда плохо удавались. Вертинская была замужем дважды – за Никитой Михалковым, от которого у нее родился сын Степан, и за Александром Градским.
Вертинская ведет активный образ жизни, много работает, пишет мемуары, сценарии, новеллы.
