Анастасия Вертинская родилась 19 декабря 1944 года в Москве. Отец — поэт и исполнитель песен Александр Николаевич Вертинский (1889—1957), который в 1943 году после долгих лет эмиграции вернулся из Шанхая в Советский Союз. Мать — Лидия Владимировна Циргвава (1923—2013), актриса и художница. Ее родители познакомились в Шанхае. Александр был старше жены на 34 года. Старшая сестра — актриса, Заслуженная артистка РСФСР Марианна Вертинская (1943). Первые три года после рождения Анастасии семья Вертинских жила в гостинице «Метрополь», и только потом они получили свою квартиру.
Анастасия Вертинская: «Александр Николаевич был на тридцать с лишним лет старше мамы. Мама — абсолютно юным существом. Они не жили вместе каждый день, не варили, что называется, суп. Отец без конца гастролировал с концертами. И в редкие дни, когда он был дома, для всех наступал праздник. Его холили и лелеяли, от всего оберегали».
Цитата взята из журнала «7 Дней», № 16 (14.04.1997)
В детстве девочки изучали иностранные языки, литературу, искусство, а также занимались музыкой. В юности Анастасия очень хотела стать балериной, но не смогла пройти отбор.
В 1961 года пятнадцатилетняя Вертинская дебютировала в кино, сыграв Ассоль в мелодраме режиссера Александра Птушко «Алые Паруса». Партнерами Анастасии по картине стали уже популярные актеры Василий Лановой, Иван Переверзев, Сергей Мартинсон и Олег Анофриев. После этой роли молодая артистка проснулась знаменитой на всю страну.
Анастасия Вертинская: «Когда режиссер меня увидел, он совсем не обрадовался. Девочка с коротко стриженными волосами, в спортивном костюмчике. Ну какая романтическая Ассоль?! Но надели парик из длинных волос, красивое платье... И тогда Птушко взглянул на меня уже другими глазами и утвердил».
Цитата взята из журнала «7 Дней», № 45 (07.11.2013)
В этом же году на экраны вышел фантастический фильм «Человек-амфибия», главные роли в котором сыграли Анастасия Вертинская (Гуттиэре), Владимир Коренев (Ихтиандр) и Михаил Козаков (Педро Зурита). Фильм стал лидером отечественного кинопроката и принес актрисе статус восходящей звезды советского кино.
Анастасия Вертинская: «Вдруг в один прекрасный день все переворачивается с ног на голову! Вообразите: вам начинают бесконечно звонить в дверь и убегать, хихикать, пинать двери ногами. Всем нужно вас видеть, с вами общаться, трогать, брать автографы. Некоторым кажется, что они Ихтиандры, и они хватают себя за горло и, задыхаясь, падают вам под ноги».
Цитата взята из журнала «7 Дней», № 45 (07.11.2013)
В 1962 году Вертинскую, не имевшую театрального образования, приняли в труппу Московского театра имени Пушкина.
В 1963 году Анастасия со второй попытки поступила в Театральный институт имени Бориса Щукина.
В 1964 года актриса сыграла Офелию в фильме Григория Козинцева «Гамлет». После этой поворотной для Вертинской роли ее стали называть «Вивьен Ли советского экрана». Картина имела международный успех и принесла Анастасии известность во всем мире.
В 1966 году, будучи студенткой «Щуки», Анастасия Вертинская вышла замуж на Никиту Михалкова, с которым она познакомилась в училище. В этом же году у пары родился сын Степан. В 1969 году супруги развелись, что стало страшным ударом для Вертинской.
В 1967 году Анастасия Вертинская окончила Щукинское училище и перешла на службу в театр им. Вахтангова.
В 1968 году она перешла в труппу театра «Современник», где проработала до 1980 года. Актриса сыграла в спектаклях «Современника»: «Мастера», «Искусство комедии», «Голый король», «Третье желание», «Большевики», «Чайка», «С любимыми не расставайтесь», «Погода на завтра», «Провинциальные анекдоты», «Четыре капли», «Двенадцатая ночь», «Эшелон», «Вишневый сад» и «А поутру они проснулись».
С 1976 по 1978 год Анастасия Вертинская жила в гражданском браке с композитором Александром Градским.
Анастасия Вертинская: «Свой второй брак вообще браком не считаю. Он продлился крайне недолго и не принес мне ни особых разочарований, ни особого обольщения».
Цитата взята из журнала «7 Дней», № 16 (14.04.1997)
В 1980 году Вертинская стала актрисой МХАТа. Среди ее ролей: «Валентин и Валентина», «Чайка», «Тартюф», «Живой труп», «Наедине со всеми», «Дядя Ваня», «Перламутровая Зинаида», «Прекрасное воскресенье для пикника».
С 1989 по 2001 год (с перерывами) артистка преподавала актерское мастерство в Оксфордском университете. После Оксфорда Анастасия вместе с Александром Калягиным вела мастер-класс в «Комеди Франсэз» и «Чеховской школе» (Париж, Франция) и преподавала в швейцарской «Школе европейского кино».
Анастасия Вертинская: «В Париже нельзя ничего пропускать. Там я много работаю. В десять часов утра уже в классе. В шесть вечера занятия заканчиваются. Иногда захожу в бар и час-другой там обязательно провожу. Сижу, уставившись на улицу, пью чай или заказываю бокал вина. Затем отправляюсь в театр или на балет».
Цитата взята из журнала «7 Дней», № 16 (14.04.1997)
В 1991 году актриса создала и возглавила Благотворительный фонд русских актеров (с 1996 года — Благотворительный фонд актеров). Этот проект направлен на финансовую помощь ветеранам театра и кино, а также на поддержку молодых актеров и режиссеров за границей.
Анастасия Вертинская сыграла более 20 ролей в кино, среди которых: «Анна Каренина» (1967), «Война и мир» (1968), «Влюбленные» (1969), «Не горюй!» (1969), «Обыкновенная история» (1970), «Случай с Полыниным» (1970), «Преждевременный человек» (1971), «Тень» (1971), «Человек на своём месте» (1972), «Домби и сын» (1974), «Дома вдовца» (1975), «Безымянная звезда» (1978), «Двенадцатая ночь» (1978), «Овод» (1980), «Кража» (1982), «Дни и годы Николая Батыгина» (1987), «Буря» (1988), «Житие Дон Кихота и Санчо» (1988), «Новые приключения янки при дворе короля Артура» (1988), «В городе Сочи темные ночи» (1989), «Тартюф» (1989), «Жажда страсти» (1991), «Мастер и Маргарита» (1994), «Шизофрения» (1997), «Бременские музыканты & Co» (2000) и др.
В начале 2000-х годов Анастасия Александровна Вертинская отошла от активной работы в кино и театре. Последний ее фильм под названием «Казус Белли» вышел в 2002 году.
Анастасия Вертинская: «В театре я больше не хочу выходить в ролях «от-кутюр» и рыдать о вишневом саде. Я вообще против, чтобы артист играл в преклонном возрасте. Даже в хороших ролях. У нас это возведено в какой-то фетиш: умри на сцене, это так здорово! И вот уколы артистам делают в антракте, после чего они собирают волю в кулак и пытаются играть. Ну что это такое? Разве это Олимпиада?»
Цитата взята из журнала «7 Дней», № 45 (07.11.2013)
В последние годы Анастасия Александровна Вертинская активно занимается наследием своего знаменитого отца. Она реставрирует и выпускает на дисках его песни, а также недавно были изданы две книжки — обновленное переиздание «Дорогой длинною...» и «Желтый ангел».
Анастасия Вертинская: «Последнюю книгу замечательно проиллюстрировал художник Юрий Купер. Сам эмигрант, он прочувствовал Александра Николаевича. 21 марта следующего года исполнится 125 лет со дня рождения Вертинского. К этому событию мы готовим большую выставку в Литературном музее»
Цитата взята из журнала «7 Дней», № 45 (07.11.2013)
Супруг — Никита Михалков, режиссер (1966—1969)
Гражданский брак — Александр Градский, композитор (1976—1978)
Сын — Степан Михалков (1966), ресторатор
▪ Заслуженная артистка РСФСР (1981)
▪ Народная артистка РСФСР (1988)
▪ Орден Почета (2005)
▪ Орден Дружбы (2010)