Настя родилась в Москве, в семье великого русского эстрадного артиста Александра Вертинского. Ее родители познакомились в эмиграции, в Шанхае. 17-тилетняя Лидия Циргвава пришла с подругой в кабаре на концерт знаменитого певца. Александр Николаевич, будучи большим ценителем женской красоты, сразу заметил Лиду и после выступления подсел к ним за столик. Так начался роман 51-летнего Вертинского и прелестной юной грузинки.
Мать-староверка не соглашалась на их брак. Ее пугала не разница в возрасте, а то, что жених работает в “кабаке” и его многочисленные поклонницы. Устав от скандалов, девушка просто сбежала к Александру. У матери не осталось иного выбора — она дала влюбленным свое благословение. Их старшая дочь — Марианна появилась на свет в Китае, а Настя — уже после возвращения родителей на родину, в 1944-м году.
Вертинский очень много гастролировал, чтобы достойно содержать семейство (включая тещу, которая жила с ними). Он не хотел, чтобы жена пошла на службу, но понимал, что ей необходимо получить профессию. (Лида окончила Художественный институт и впоследствии работала художницей на полиграфическом комбинате). У девочек были бонны, обучавшие их хорошим манерам и иностранным языкам. Обычную школу Марианна и Настя тоже посещали, однако учились весьма посредственно. “Все в меня!” — гордо говорил артист.
Счастливое детство прервала смерть отца. Насте исполнилось 12 лет, сестра была двумя годами старше. Молодая вдова едва сводила концы с концами, продавая свои пейзажи и эстампы. Еще при жизни мужа Лидия начала сниматься в кино, но ее экзотическая внешность не нашла применения в советском кинематографе. Самую запоминающуюся роль она сыграла в сказке “Королевство кривых зеркал” (Анидаг ).
Настя попала в кино благодаря знакомству матери с режиссером Александром Птушко. Он искал актрису на главную роль Ассоль в свою картину “Алые паруса” и попросил Лидию привести на пробы “кого-нибудь из дочерей”. Она привела Настю и худсовет ее утвердил. После выхода фильма на экран 17-летняя дебютантка проснулась знаменитой. В том же году она снялась в фантастической мелодраме “Человек-амфибия”, где исполнила вторую звездную роль — Гуттиэре.
Однако вместо эйфории, Вертинская испытывала совсем другие чувства. Так называемые “поклонники” ежедневно превращали ее жизнь в ад. В любое время дня и ночи они звонили в дверь ее квартиры, подкарауливали девушку на улице, одолевая дикими предложениями. У Анастасии развилась боязнь публичных мест, которую она так и не смогла преодолеть.
В 1963-м году актриса поступила в “Щуку”. Окончив училище, работала в “Современнике”, затем во МХАТе. На ее счету много центральных ролей в классических и современных постановках. В кинематографе Вертинская прославилась в образах Офелии в “Гамлете”, Лизы Болконской в “Войне и мире”, Моны в “Безымянной звезде”, Джеммы в “Оводе” и во многих других ролях.
В 1989-м году актриса ушла из театра и в течение ряда лет вместе с Александром Калягиным преподавала актерское мастерство за границей. Чуть позже она покинула кинематограф, объясняя это тем, что играть “маму киллера” ей неинтересно. С начала 90-х и по настоящее время Анастасия Александровна возглавляет Благотворительный фонд актеров, который оказывает помощь нуждающимся ветеранам театра и кино. В последние годы она занималась наследием отца — выпустила на дисках его песни и переиздала сборники стихов.