Заворотнюк родилась 3 апреля 1971 года в Астрахани. Ее мать, народная артистка Валентина Заворотнюк, работала в Астраханском ТЮЗе, отец был режиссером, директором телеканала, членом Академии телевидения.
По словам ее педагогов, артистка была способной и ответственной ученицей.
В последующем Заворотнюк посещала свою музыкальную школу, уже будучи известной актрисой.
После окончания Школы-студии МХАТ, Заворотнюк выступала в Московском театре-студии под руководством Олега Табакова.
В театре Заворотнюк играла в постановках "Страсти по Бумбарашу" (Варя), "Обыкновенная история" (Наденька), "Билокси-Блюз" (Дэззи), "Матросская тишина" (Таня), "Миф о Дон-Жуане" (Жанэт), "Прощайте... и рукоплещите" (Марина), "Признания авантюриста Феликса Круля" (Элинора Твентимэн).
В кино Заворотнюк дебютировала в 1991 году в главной роли в фильме Тамары Павлюченко "Машенька" по роману Владимира Набокова.
Всероссийская слава пришла к Заворотнюк после дебюта в сериале "Моя прекрасная няня".
Роль Вики Прутковской артистка играла на протяжении семи сезонов с 2004 по 2009 год.
За роль в "Моей прекрасной няне" Заворотнюк получила множество премий.
Всего в кино и на телевидении актриса сыграла более 40 ролей.
Заворотнюк работала на телевидении во многих проектах в качестве телеведущей.
В 2005 году она стала ведущей программы "Хорошие песни" на канале СТС. Вела также программы "Кухня для чайников", "Танцы со звездами", "Танцы на льду", "Ледниковый период", "Лед и пламень", Брачные игры", "Новогодний миллиард".
Актриса была дважды замужем. Первым супругом актрисы стал бизнесмен Дмитрий Стрюков. От этого брака у актрисы родились двое детей –дочь Анна и сын Майкл. Второй муж – фигурист Петр Чернышов. В 2018 году у пары родилась дочь Мила.
В 2006 году Анастасию Заворотнюк удостоили звания "Заслуженная артистка Российской Федерации".
В августе 2019 года в СМИ появились сообщения, что Анастасии Заворотнюк диагностировали серьезное заболевание. Долгое время ее родственники не давали никаких комментариев, однако затем подтвердили, что актриса проходит лечение от глиобластомы.
30 мая 2024 года стало известно, что Анастасия Заворотнюк умерла после продолжительной болезни. Ей было 53 года.
