Анастасия Вертинская родилась 19 декабря 1944 года в Москве в семье выдающегося русского артиста, поэта и композитора Александра Вертинского и художницы и актрисы Лидии Вертинской. В 1961 году 15-летняя Вертинская дебютировала в кино, сыграв Ассоль в фильме Александра Птушко «Алые паруса», и сразу стала звездой. После этой работы ей предложили роль Гуттиэре в фантастической ленте Геннадия Казанского и Владимира Чеботарева «Человек-амфибия».
Среди ее ролей — Офелия в фильме «Гамлет» Григория Козинцева (1964), Лиза Болконская в «Войне и мире» Сергея Бондарчука (1965–1967), Кити в «Анне Карениной» Александра Зархи (1968), княгиня Мэри в «Не горюй!» Георгия Данелии (1969) и др.
В 1962 году Вертинскую приняли в труппу Московского драматического театра им. А.С. Пушкина. С 1967 по 1968 год была актрисой Государственного академического театра им. Е.Б. Вахтангова. В 1968-м поступила в труппу Московского театра «Современник», где два года играла только в массовках. Затем исполняла роли Валентины («Валентин и Валентина», 1971), Оливии («Двенадцатая ночь», 1975), Раневской («Вишневый сад», 1976).
В 1978 году Анастасия Вертинская сыграла, по мнению критиков и самой актрисы, одну из лучших своих ролей в кино — Мону в дебютной картине Михаила Козакова «Безымянная звезда». В 1994 году она сыграла роль Маргариты в фильме Юрия Кары «Мастер и Маргарита».
В 1980 году перешла в Московский художественный театр имени А.П. Чехова. В числе ее наиболее известных работ в этом театре стали роли Нины Заречной («Чайка», 1980), Эльмиры («Тартюф», 1981), Лизы («Живой труп», 1982), Елены Андреевны («Дядя Ваня», 1985). В 1988-м в театральной постановке режиссера Анатолия Эфроса по пьесе Уильяма Шекспира «Буря» Вертинская сыграла сразу две мужские роли — Просперо и Ариэля. В 1988-м покинула МХАТ им. Чехова и уехала в Европу. Преподавала актерское мастерство в Британско-американской школе драматического искусства ВАDА Оксфорда в Великобритании, в Европейской кинематографической школе в Цюрихе, в Чеховской школе театрального искусства в Париже. На сцене парижского театра Nanterre des Amandiers вместе с актером и режиссером Александром Калягиным поставила спектакль «Чехов. Акт III» (1994). В 1989 году, к 100-летию Александра Вертинского, актриса написала и поставила на сцене московского театра-студии «Арт-центр» пьесу «Мираж, или Дорога русского Пьеро», в которой сыграла роль своего отца.
В настоящее время Анастасия Вертинская живет и работает в Москве. Переиздала книгу воспоминаний Александра Вертинского «Дорогой длинною…» (2004), выпустила книгу его стихов «Желтый ангел» (2010). Награждена орденом Почета «За заслуги в области культуры и искусства, многолетнюю плодотворную деятельность» (2005), орденом Дружбы (2011). Заслуженная артистка РСФСР (1981), народная артистка РСФСР (1988). Лауреат актерской премии в области театра, кино и телевидения «Кумир» в номинации «Лучшая актриса года» (2003).
