Родилась 3 апреля 1971 г. в Астрахани. Ее отец - Юрий Андреевич Заворотнюк (1945-2014) - работал телережиссером, был членом Академии российского телевидения. Мать – Валентина Борисовна Заворотнюк (род. 1943, народная артистка РФ, была актрисой Астраханского государственного театра юного зрителя).
В детстве Анастасия Заворотнюк занималась хореографией в ансамбле бального танца "Лотос".
В 1988 г. поступила на исторический факультет Астраханского государственного педагогического института (ныне Астраханский государственный университет), но ушла из вуза после первого курса. В 1993 г. окончила Школу-студию МХАТ, выпускница курса Авангарда Леонтьева. Во время учебы дублировала Кристофера Робина в диснеевском мультсериале "Новые приключения Винни-Пуха".
В 1993-2004 гг. Анастасия Заворотнюк была актрисой Театра под руководством Олега Табакова (ныне Московский театр Олега Табакова), сыграла в более чем 20 постановках. Среди ее ролей: Наденька в "Обыкновенной истории" по произведению Ивана Гончарова, Дэззи в комедии "Билокси-блюз" по пьесе Нила Саймона, Таня в "Матросской тишине" по драме Александра Галича, Жанэт в "Мифе о Дон Жуане" по мотивам комедии Мольера, Варя в "Страстях по Бумбарашу" по мотивам произведений Аркадия Гайдара, Элинор Твентимэн в "Признаниях авантюриста Феликса Круля" по роману Томаса Манна.
В 1991 г. дебютировала в кино, исполнив заглавную женскую роль в фильме Тамары Павлюченко "Машенька" по роману Владимира Набокова. Известность Анастасии Заворотнюк принесла роль няни Виктории Прутковской в комедийном сериале "Моя прекрасная няня" (2004-2009, режиссеры Алексей Кирющенко, Эдуард Ливнев и др.).
Актриса также снималась в фильмах "Код Апокалипсиса" (2007, Вадим Шмелев), "Артефакт" (2009, Андрей Соколов), "Охота на гауляйтера" (2012, Олег Базилов), "Любовь и море" (2016, Дмитрий Фикс), "Проклятие спящих" (2017, Илья Куликов и Никита Грамматиков). Последняя роль к настоящему времени - Полина Юрьевна в сериале "Между нами, девочками. Продолжение" (2018, Алексей Кирющенко). В общей сложности фильмография актрисы насчитывает около 30 ролей в различных фильмах и сериалах.
С середины 2000-х гг. Анастасия Заворотнюк была ведущей популярных развлекательных шоу на российских телеканалах.
В 2009 г. выпустила книгу "Моя прекрасная кулинарная книга. Вкусно и полезно", в 2010 г. - "Начало".
В 2019-2020 гг. сообщалось, что Анастасия Заворотнюк проходит лечение в связи с выявленным онкологическим заболеванием.
Член Союза кинематографистов России.
Заслуженная артистка РФ (2006).
Обладательница премии ТЭФИ в категории "Лица. Исполнительница женской роли в телевизионном фильме/сериале" (2005, "Моя прекрасная няня").
Замужем в третий раз. Супруг - фигурист Петр Чернышев (род. 1971). Дочь - Мила (род. 2018). Первым мужем был предприниматель Олаф Шварцкопф. Второй супруг - предприниматель Дмитрий Стрюков. Дочь - Анна (род. 1996), сын - Майкл (род. 2000).