Родилась 19 декабря 1944 г. в Москве в семье выдающегося советского артиста эстрады, поэта и актера Александра Вертинского (1889-1957). Ее матерью была киноактриса и художница Лидия Вертинская (1923-2013).
Образование
В 1967 г. Анастасия Вертинская окончила актерский факультет Театрального училища им. Б. В. Щукина (ныне - Театральный институт им. Бориса Щукина при Государственном академическом театре им. Евгения Вахтангова). Выпускница курса заслуженного артиста РСФСР Леонида Шихматова.
Работа в театре
В 1962 г. Анастасия Вертинская, не имевшая к тому моменту профессионального образования, была принята в актерскую труппу Московского драматического театра им. А. С. Пушкина. Выступала на его сцене до 1967 г.
В 1967-1968 гг. была актрисой Государственного академического театра им. Евгения Вахтангова.
В 1968-1980 гг. Анастасия Вертинская служила в Московском театре "Современник". Была задействована в спектаклях: "Искусство комедии" по произведению Эдуардо де Филиппо, "Большевики" по пьесе Михаила Шатрова, "С любимыми не расставайтесь" по произведению Александра Володина, "Двенадцатая ночь" по комедии Уильяма Шекспира, "Вишневый сад" и "Чайка" по пьесам Антона Чехова, "Эшелон" по произведению Михаила Рощина, "А поутру они проснулись" по повести Василия Шукшина.
В 1980 г. Анастасия Вертинская стала актрисой МХАТ СССР им. М. Горького. В 1987 г., после разделения труппы театра, продолжила работу в коллективе под руководством Олега Ефремова (ныне - МХТ им. А. П. Чехова). Работала в нем до 1989 г. Исполняла роли в постановках: "Валентин и Валентина" по пьесе Михаила Рощина, "Тартюф" по комедии Мольера, "Живой труп" по пьесе Льва Толстого, "Наедине со всеми" по произведению Александра Гельмана, "Дядя Ваня" по пьесе Антона Чехова.
В 1988 г. в театральной постановке Анатолия Эфроса "Буря" по пьесе Уильяма Шекспира сыграла сразу две мужские роли - Просперо и Ариэля.
В 1989 г., 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 2002 г. приняла участие в антрепризном спектакле Нины Чусовой "Имаго". Он был поставлен по пьесе драматурга Максима Курочкина, взявшего за основу сюжет произведения Бернарда Шоу "Пигмалион". Замысел автора и его сценическая реализация вызвали активную дискуссию в театральной среде.
Работа в кино и на телевидении
Анастасия Вертинская широко известна в качестве киноактрисы. Зрительский успех ей принесли первые же роли: Ассоль в экранизации произведения Александра Грина "Алые паруса" (1961, режиссер Александр Птушко), Гуттиэре в фильме "Человек-амфибия" по научно-фантастическому роману Александра Беляева (1961, Геннадий Казанский и Владимир Чеботарев) и Офелия в экранизации трагедии Уильяма Шекспира "Гамлет" (1964, Григорий Козинцев). Среди других известных киноработ Анастасии Вертинской: Кити Щербацкая в фильме "Анна Каренина" по роману Льва Толстого (1967, Александр Зархи), Таня в мелодраме "Влюбленные" (1969, Эльёр Ишмухамедов), Маргарита в экранизации романа Михаила Булгакова "Мастер и Маргарита" (1994, Юрий Кара). Последняя роль к настоящему времени - Атаманша в фильме-сказке "Бременские музыканты" (2000, Александр Абдулов). В общей сложности актриса снялась в более чем двадцати кинокартинах.
Во второй половине 1990-х гг. Анастасия Вертинская была автором и ведущей программ "Золотое сечение" и "Другие берега", выходивших на ОРТ (ныне - Первый канал).
Педагогическая и общественная деятельность
С конца 1980-х по начало 2000-х гг. (с перерывами) Анастасия Вертинская преподавала актерское мастерство в различных образовательных учреждениях Англии, Франции и Швейцарии. В 1994 г. на сцене театра Nanterre des Amandiers (расположен в Нантере - пригороде Парижа) вместе с актером и режиссером Александром Калягиным поставила спектакль "Чехов. Акт III".
Учредитель Благотворительного фонда актеров.
Член Союза кинематографистов РФ.
Народная артистка РСФСР (1988).
Награждена орденами Почета (2005), Дружбы (2010), Александра Невского (2020).
Анастасия Вертинская была дважды замужем. Первый супруг - народный артист РСФСР, актер и режиссер Никита Михалков (род. 1945). Сын - Степан Михалков (род. 1966, ресторатор). Второй муж - народный артист РФ, певец и композитор Александр Градский (род. 1949). Сестра - заслуженная артистка РСФСР Марианна Вертинская (род. 1943).