Родилась 19 декабря 1944 года в Москве.
Её отец, Вертинский Александр Николаевич (1889-1957), великий русский шансонье, композитор, поэт, киноактер, один из родоначальников отечественного жанра авторской песни.
Мать – Вертинская (Циргвава) Лидия Владимировна, художница и актриса.
В 1962 году актрису приняли в труппу Московского театра имени Пушкина.
В 1967 году окончила Театральное училище имени Б.В. Щукина.
В 1967-1968 годах — актриса театра имени Евгения Вахтангова,
с 1968 года — актриса театра «Современник»,
позднее играла в театре драмы и комедии на Таганке,
МХАТе (1980-1989).
В кино 15-летняя Анастасия попала благодаря режиссёру Александру Птушко – именно он пригласил её сняться в роли Ассоль в экранизации "Алых парусов". Фильм, появившийся на экранах страны в 1961 году и снискавший громадный зрительский успех, сразу сделал молодую актрису знаменитостью. Но уже в следующем году новая удачная роль – Гуттиэре в фантастической ленте Геннадия Казанского и Владимира Чеботарёва "Человек-амфибия", поставленной по книге Александра Беляева. Одной из лучших киноработ Анастасии Вертинской стала роль Офелии в "Гамлете" – известной экранизации шекспировской пьесы, созданной Григорием Козинцевым. Актриса продолжала успешно играть в кино и на телевидении, удачными были и роль Лизы Болконской в киноэпопее Сергея Бондарчука "Война и мир" (1966-1967, фильм удостоен приза Американской киноакадемии "Оскар") и роль Китти в фильме "Анна Каренина" (1968). За "Анной Карениной" последовали картины: "Влюблённые", "Не горюй!" (режиссёр Георгий Данелия, по роману французского писателя Клода Тилье "Мой дядя Бенжамен"), "Случай с Полыниным" (по повести Константина Симонова), "Преждевременный человек" (режиссёр Абрам Роом, по незавершённой повести Максима Горького "Яков Богомолов"), "Человек на своем месте"...
Почти одновременно с работой в картине по повести Максима Горького Анастасия Вертинская снялась в фильме по сказке Шварца "Тень". В 1978 году Михаил Козаков снял телевизионный фильм "Безымянная звезда" по одноименной пьесе румынского писателя Михаила Себастиана с Анастасией Вертинской в главной роли.
И на экране, и на сцене Анастасия Вертинская воплощает образы литературных героинь из произведений самых разных форм и жанров, сочинённых писателями самых разных эпох и направлений. Она – актриса утончённой психологической глубины и, по словам выдающегося режиссёра Анатолия Эфроса, "столь физически естественна и обладает такой изысканной актёрской грацией, что это кажется порой невероятным".
В течение ряда лет вместе с Александром Калягиным актриса преподавала актёрское мастерство в Оксфорде, в Париже (с театром "Комеди Франсез", в Чеховской школе), в Швейцарии (в европейской киношколе). На сцене парижского театра "Nanterre des Amandiers" вместе с учениками поставили спектакль "Чехов. Акт III", куда вошли третьи акты из "Дяди Вани", "Трёх сестер" и "Вишнёвого сада".
В 1991 году она создала и возглавляет Благотворительный фонд русских актёров (с 1996 года — Благотворительный фонд актёров).
А.А. Вертинская являлась автором телепрограмм "Золотое сечение" и "Другие берега" (канал ОРТ).
Анастасия Вертинская уже несколько лет не снимается в кино и не играет в театре. Актриса неожиданно начала заниматься кухней в ресторанах своего сына, Степана Михалкова. Она контролирует работу поваров в трёх отнюдь не последних московских заведениях.
Заслуженная артистка РСФСР (1981).
Народная артистка РСФСР (1988).