Анастасия Александровна Вертинская родилась 19 декабря 1944 года в Москве в семье великого шансонье Александра Вертинского.
Получив прекрасное гуманитарное образование, Анастасия еще школьницей пришла в кинематограф в 1961 году. Ее первая роль — Ассоль в романтическом фильме по повести Грина «Алые Паруса». Юная актриса сразу же привлекла к себе внимание зрителей. Однако сама Вертинская своим дебютом была недовольна. Следующий фильм «Человек-амфибия», где Анастасия сыграла Гуттиэре, имел оглушительный успех.
Одновременно со съемками Вертинская выходит на сцену театра им. Пушкина. В 18 лет актрисе уже предложили роль Офелии в спектакле, а ее исполнение Лизы Болконской в «Войне и мире» Сергея Бондарчука принесло фильму «Оскара». В 1968 году еще одна классика – фильм «Анна Каренина». Из театральных постановок в творческом списке Анастасии Вертинской «Чайка», «Дядя Ваня» А.П. Чехова, «Живой труп» Л.Н. Толстого, «Тартюф» Мольера и другие.
В 1980 году актриса исполнила роль Джеммы в телесериале «Овод». В этом же году Вертинская получила звание заслуженной артистки РСФСР. Были на ее счету и отрицательные персонажи. Например, королева Моргана в «Новых приключениях янки при дворе короля Артура, фантазии на тему Марка Твена». В 1989 году Анастасия по книге своего отца ставит и играет в спектакле «Мираж, или Дорога русского Пьеро».
Вертинская преподавала в театре «Комеди Франсез» в Париже, в Оксфорде, в Швейцарии. С 1991 года возглавила созданный ею же Благотворительный фонд русских актеров. В наши дни пишет сценарии, новеллы, живет в Москве.