Анастасия Вертинская родилась в семье известного поэта, шансонье и актёра Александра Вертинского. В 1967 году окончила Щукинское театральное училище, после чего получила несколько предложений о съемках.
Зрители запомнили актрису после ее дебютного фильма - картины "Алые паруса", где она сыграла Ассоль. Уже на следующий год она предстала в образе Гуттиэре в экранизации романа Александра Беляева "Человек-амфибия". Эта роль принесла юной актрисе еще большую известность. Вскоре она сыграла Офелию в фильме Григория Козинцева "Гамлет", "закрепив" славу.
Не прекращала работать Вертинская в театре "Современник". Среди ее главных ролей – Нина Заречная ("Чайка"), Раневская ("Вишневый сад"), Оливия ("Двенадцатая ночь"), Интересная женщина ("А поутру они проснулись").
В конце 1980-х годов Вертинская ушла из кино и уехала за границу. Она преподавала актерское мастерство в Оксфорде, в Le Comedie Francais и в Чеховской школе в Париже, в Швейцарии в европейской киношколе.
У Вертинской репутация одной из красивейших актрис советского кино. Многие коллеги отмечали при этом особое, "неземное" качество её внешности, "внешность эпохи раннего Возрождения". Константин Райкин называл красоту Вертинской "интеллектуальной". "Когда я впервые увидел её, я повёл себя неприлично: я не мог оторвать от неё глаз, взгляд к ней просто прилипал", - вспоминал он.
Анастасия Вертинская была замужем за кинорежиссером Никитой Михалковым и певцом Александром Градским. Между тем в одном из интервью она призналась: "Постойте! У меня был всего один муж - Никита Михалков. Конечно, случались романы, когда происходят волнение в крови, особый подъём духа, потом это превращается в иные взаимоотношения. Я от романов не отказываюсь, но это - не мои мужья. Я даже не считаю, что у меня были гражданские браки. Самым "долговечным" человеком в моей жизни был Олег Николаевич Ефремов".
В последние годы актриса помогает сыну Степану Михалкову в ресторанном бизнесе.