В 1961 году школьница Настя сыграла главную роль в фильме по повести Александра Грина «Алые паруса», правда, говорит она там голосом актрисы Нины Гуляевой. Став известной актрисой, Вертинская возненавидела свою Ассоль. Зато научилась работать в тон-студии и прекрасно озвучила роль Констанции Бонасье, которую сыграла Ирина Алферова, в культовом фильме «Д'
Артаньян и три мушкетера».
Вторая сыгранная роль принесла Вертинской еще большую известность - Гуттиэре в фильме «Человек-амфибия», поставленном по книге Александра Беляева. И тут судьба подарила ей встречу с Иннокентием Смоктуновским (принц Датский). Легендарный режиссер Григорий Козинцев пригласил непрофессиональную артистку в экранизацию шекспировского «Гамлета». Офелия стала этапной ролью для Анастасии. Девочка впервые поняла, что хочет стать актрисой.
Сергей Бондарчук пригласил студентку театрального училища имени Б.В.Щукина на роль Лизы Болконской в «Войне и мире», эта киноэпопея в США получила премию «Оскар».
В 1966 году Вертинская вышла замуж за Никиту Михалкова, в том же году у них родился сын Степан. Анастасия была к тому времени знаменита, а у Никиты (звездного мальчика, снявшегося в данелиевской комедии «Я шагаю по Москве») уже тогда сложилась определенная формула семейной жизни: жена должна сидеть в усадьбе, рожать детей, варить варенье и ждать мужа. Теоретически Анастасия была согласна с домостроем, но на практике не могла себе такого позволить. Их брак продолжался почти четыре года. После развода Вертинская за сорок лет не сказала сыну про отца ни одного дурного слова.
Впоследствии Анастасия вышла замуж за певца и композитора Александра Градского. И этот брак постигла та же участь. Печальный опыт усилил неприязнь актрисы к браку. Вертинская снялась в роли Кити в экранизации другого романа Льва Толстого - «Анна Каренина» (1968). Она была очаровательна в сценах беременности толстовских героинь. Сыграв в таком юном возрасте в экранизациях произведений корифеев мировой литературы, достигла необыкновенной популярности. Но не «зазвездила». Наоборот, решила меньше сниматься, посвятив себя театру. Анастасия Вертинская работала в ведущих московских театрах - имени Евгения Вахтангова, «Современник», позднее играла на Таганке и во МХАТе.
- Надо признаться, я вызревала очень медленно, - призналась актриса. - И только перейдя из «Современника» во МХАТ, оказалась на необходимом и адекватном себе уровне профессионализма.
Среди ее работ в театре главные роли в «Чайке» и «Дяде Ване» Чехова, «Двенадцатой ночи» и «Буре» Шекспира. Удачны были и работы в телевизионных фильмах «Безымянная звезда», «Овод». В ряду последних работ Анастасии Вертинской Маргарита в фильме Юрия Кары «Мастер и Маргарита» (1994) по роману М.Булгакова и Атаманша в картине Александра Абдулова «Бременские музыканты» (1999).
В последние годы Анастасия Александровна преподавала с Калягиным актерское мастерство в Оксфорде, «Комеди Франсез», Европейской киношколе (Швейцария). В трудном 1991-м создала и по сей день возглавляет Благотворительный фонд русских актеров. Вела на ОРТ авторские телепрограммы «Золотое сечение» и «Другие берега».
При всей своей популярности она всегда держалась отстраненно. Вечерами пишет новеллы, сценарии, дневники. Сын Степан Михалков - режиссер в рекламном бизнесе, основатель фестиваля видеоклипов «Поколение». У него растет сын Василий - внук Анастасии Вертинской.