Анастасия Заворотнюк родилась в семье телережиссера и артистки. Она мечтала играть в театре с раннего детства и упорно шла к своей цели - в свободное время занималась музыкой и танцами, участвовала в танцевальном ансамбле "Лотос". Окончила детскую музыкальную школу.
Начав учебу на историческом факультете Астраханского государственного педагогического института, она ушла из вуза и поступила в Школу-студию МХАТ.
В 1991 г. сыграла первую роль в кино, ее дебют состоялся в фильме "Машенька". В 1993 г., окончив школу-студию МХАТ, стала актрисой театра под руководством Олега Табакова. За десять лет участвовала там в 29 спектаклях.
Наибольшую известность актрисе принес сериал "Моя прекрасная няня", в котором она играла главную героиню. Всего снялась в 30 картинах, среди которых "Служебный роман. Наше время" , "Между нами, девочками".
Вела 18 телепрограмм, в том числе "Танцы со звездами", "Лед и пламень", "Киношоу", "Ты супер! Танцы". Дублировала Кристофера Робина в мультфильме "Новые приключения Винни Пуха".
В марте 2006 г. была удостоена звания заслуженной артистки РФ. Имеет много наград, среди которых "ТЭФИ" в номинации "Исполнительница женской роли в телевизионном фильме/сериале" и "Золотая семерка" в номинации "Лучшая актриса".
Третий муж Анастасии Заворотнюк - фигурист Петр Чернышев. Дети: дочери Анне 23 года, сыну Майклу - 18 лет, дочери Миле в октябре 2019 г. исполнится год.
В сентябре 2019 г. в СМИ появилась информация о том, что у Заворотнюк обнаружена опухоль мозга - глиобластома, и что артистка впала в кому, периодически даже возникали слухи, что она умерла. Близкие Анастасии опровергли слухи о коме и смерти, однако не стали раскрывать диагноз актрисы. Сейчас Заворотнюк проходит реабилитацию в столичной клинике. Сообщается, что ее супруг при малейшей возможности находится рядом с ней, хотя некоторые издания успели написать, что фигурист якобы собрался уйти из семьи.