Анастасия Заворотнюк родилась в Астрахани 3 апреля 1971 года в семье народной артистки России Валентины Заворотнюк и телережиссера Юрия Заворотнюка. В детстве будущая актриса увлекалась музыкой и танцами, окончила музыкальную школу. Педагоги отзывались о ней как о способной ученице. Анастасия мечтала о творческой карьере, но, хотя с трудом представляла себе жизнь вне театра и телевидения, окончив школу, сначала все-таки поступила в педагогический вуз.
После года учебы на историческом факультете Анастасия Заворотнюк переехала в Москву. Экзамены в Российский институт театрального искусства (ГИТИС) она не сдала, но поступила в Школу-студию МХАТ на курс Авангарда Леонтьева.
Еще будучи студенткой, Анастасия Заворотнюк начала сниматься в кино. Ее дебютом стала роль в фильме Тамары Павлюченко «Машенька» (1991), снятом по мотивам одноименного романа Владимира Набокова.
После окончания учебы в 1993-м актриса поступила в труппу Театра-студии под руководством Олега Табакова, знаменитую «Табакерку». За 10 лет она исполнила роли более чем в 20 спектаклях, среди которых «Обыкновенная история», «Опасные связи» и «Миф о Дон Жуане». Сама Анастасия Заворотнюк с особой теплотой вспоминала о роли Вари в постановке «Страсти по Бумбарашу». Ее режиссером стал Владимир Машков, а Заворотнюк работала в паре с Евгением Мироновым.
Известность и любовь зрителей актрисе принесла роль в телесериале «Моя прекрасная няня», вышедшем в 2004 году. Его сняли по мотивам сериала «Няня», который показывали в США в середине 1990-х, и адаптировали для российской аудитории. Для исполнительницы главной роли искали не слишком известную и очень обаятельную актрису. Анастасия Заворотнюк вспоминала, что в сериал она попала практически случайно — ей позвонили и пригласили на кастинг в проекте, о котором она даже не знала. Приходилось очень много работать — иногда по 12–16 часов в день, но участники съемочной группы были уверены, что делают нечто такое, что обязательно понравится людям.
Сериал, по словам Анастасии Заворотнюк, стал для нее вторым рождением, и то, что многие зрители и коллеги ассоциировали ее исключительно с одной ролью, актрису абсолютно не смущало — она искренне любила образ прекрасной няни и была благодарна своей героине.
Роль покорила и критиков — за нее Анастасия Заворотнюк получила премии «Золотой Остап» и «ТЭФИ», а в 2005-м — титул «Телевизионная актриса года». Кстати, характерного акцента, которым по сценарию должна была обладать Виктория Прутковская, у Заворотнюк не было — его она заимствовала у коллеги по театру Ольги Блок-Миримской.
Актриса также снималась в фильмах «Код апокалипсиса» (2007), «Гоголь. Ближайший» (2009), «Хозяйка “Белых ночей”» (2011), сериалах «Охота на гауляйтера» (2012), «Я больше не боюсь» (2014), «Провокатор» (2016) и других. У артистки был опыт работы в дубляже — например, ее голосом говорит Кристофер Робин из мультсериала о Винни Пухе.
Анастасия Заворотнюк много работала на телевидении — вела музыкальные и танцевальные передачи, спортивно-развлекательную программу, а также собственное юмористическое ток-шоу.
В 2006 году получила почетное звание заслуженной артистки России.
Последние несколько лет Анастасия Заворотнюк боролась с тяжелым онкологическим заболеванием. Актрисы не стало 30 мая 2024 года. Московский театр Олега Табакова выразил соболезнования близким Анастасии Заворотнюк и предложил провести церемонию прощания с ней в своих стенах.
