Родилась она в Москве в 1944 году после того, как её отец Александр Николаевич Вертинский вернулся с семьей из эмиграции. Отец очень любил своих дочек и никогда их не наказывал. Как позднее вспоминала Анастасия: «Отец потрясающе рассказывал сказки, у него были свои сказки, по современным понятиям, это настоящие сериалы… Учил нас любить литературу, искусство, музыку, считал, что мы обязаны быть разносторонне образованными… Мама говорила, что он не хотел, чтобы дочки стали актрисами. Наверное, потому что знал, какой это тяжелый хлеб».
В 1957 году отец умер после благотворительного концерта в Ленинграде. Друг семьи режиссер Александр Птушко, снимавший фильм «Алые паруса» по повести Александра Грина, предложил вдове Вертинского Лидии привести одну из дочерей на пробы на роль Ассоль. Мать привела Анастасию. Было ей о ту пору 15 лет, коротко стрижена, баскетболистка молодежной команды. Режиссер недовольно поморщился. Выручила гримерша. Одела девчонку в белое платье, на голову - волнистый русоволосый парик, наклеила реснички. И Птушко увидел Ассоль.
Фильм вышел на экраны в 1961 году. А через год Анастасия сыграла Гуттиэре в картине «Человек-амфибия» режиссёра Владимира Чеботарева.
Слава, неожиданно свалившаяся на Анастасию, была как обвал. Вот как она её описывает: «Приходили тонны писем, почтальон стучала в дверь ногой, оставляла на полу огромную кипу и злобно уходила. Когда я выходила из дома, внизу меня ждала группа ихтиандров. Мы были доступны всякому. Бабушка строго сказала, что ничего в нашей жизни не изменится, и я, как ходила в гастроном за хлебом и молоком, так и продолжала – уговаривать бабушку было бесполезно. Надевала платок, очки, но меня узнавали. «Люба, кричали из колбасного отдела, иди сюда, Амфибия пришла! Ты автограф хотела у ей взять!» Из колбасного бежали, и я писала автографы на бумажках, на чеках, на паспортах, руках и колбасе… Это была постоянная мука, она называлась славой. Единственное, что она мне принесла, - страшная боязнь толпы. Я ее боюсь по сей день…». Роли в этих фильмах Анастасия считала проходными и была уверена, что главные роли еще впереди.
Она поступила в Щукинское театральное училище. На одной из вечеринок, куда она пришла с Андреем Мироновым, встретилась с Никитой Михалковым. И с вечеринки ушла с ним. С этого дня они не разлучались.
Она была против регистрации брака. Никита психовал, буйствовал и даже, случалось, ночевал в «обезьяннике». Брак они зарегистрировали, когда родился сын Степан. Через три года брак треснул по всем швам. Расставание было тяжелым. Но они сумели сохранить дружеские отношения. Позже Анастасия признается: «Сейчас понимаю, что брак — это вообще не для меня. Я очень любила Никиту Михалкова, но два таких сильных человека не могут жить вместе. Ему была нужна совсем другая женщина».
Вертинская считает, что ее главные роли начались с фильма «Гамлет», куда ее пригласил на роль Офелии режиссер Козинцев. А Гамлета исполнял Иннокентий Смоктуновский. Она снялась в 32-ух фильмах. Среди них «Безымянная звезда», «Мастер и Маргарита», «Двенадцатая ночь», «Война и мир», «Овод» … Уже более 20 лет Вертинская в кино не снимается. На вопрос, почему она ушла из кино, Вертинская ответила: «В каком кино я должна работать? Существует планка, которая совершенно не опускается, даже если на ней повиснуть. Существуют фильмы, в которых я играла. Это высокая литература, это Толстой, Шекспир… Я всегда говорю одну фразу: «Я не буду играть маму киллера!» …
Ныне она возглавляет Благотворительный фонд русских актеров. Выпускает диски с песнями отца. Переиздала воспоминания матери, художницы и киноактрисы Лидии Циргвава. Проживает Анастасия Вертинская загородом. Рядом с ней ее семья - сын, невестка и внуки…