Переехав в Петербург, Вяльцева стала брать уроки пения у председателя Петербургского вокального общества С. М. Сонки. Сценическую деятельность начала в Киеве, в качестве статистки в балетной труппе С. С. Ленчевского (1887). В 1893 выступала в опереточной труппе московского театра «Аквариум», затем в труппе С. А. Пальма (вначале в Москве, потом — в Петербурге). На сцене Петербургского Малого театра её заметили театральные обозреватели, а затем присяжный поверенный Н. И. Холева, знакомство и дружба с которым открывают для неё доступ в высшее светское общество. В 1897 году в московском театре «Эрмитаж» Я. В. Щукина состоялся первый сольный концерт Анастасии Вяльцевой, сразу же вызвавший невиданный ажиотаж в эстрадных кругах. Сама певица вспоминала об этом так:
После громкого успеха певице наперебой предлагают самые выгодные контракты. Первая же её гастрольная поездка по городам России вылилась в настоящий триумф новоявленной звезды. «Знаменитая „вяльцевская улыбка“ покоряла всех и вся, писал очевидец. — Её заставляли бисировать по десять, двадцать раз». Несмотря на множество гастролей в провинции и активной концертной деятельностью в столицах, продолжала выступать в опереточных спектаклях (Саффи в «Цыганском бароне» И. Штрауса, Перикола в «Периколе» и Елена в «Прекрасной Елене» Ж. Оффенбаха, Клеретта в «Дочери мадам Анго» Ш. Лекока). Эпизодически участвовала в оперных представлениях, в том числе и в Мариинском театре. Среди наиболее известных партий: Кармен («Кармен» Ж. Бизе), Амнерис («Аида» Дж. Верди), Далила («Самсон и Далила» К. Сен-Санса). Современниками отмечалась красота голоса Вяльцевой, задушевность её пения, оригинальность фразировки.
Популярность Вяльцевой в начале XX века была огромна, её называли «Чайкой русской эстрады» и «русской Золушкой», превратившейся из простой горничной в одну из самых богатых и известных женщин России. Концерты «несравненной» исполнительницы романсов всегда вызывали шумный успех, а граммофонные пластинки с её записями выходили огромными тиражами. Концерты в Курзале Сестрорецкого Курорта (1500 мест) проходили при полном аншлаге.
Вяльцева жила в Петербурге, на набережной реки Мойки, 84 (в 1995 году на доме установлена мемориальная доска, которая гласит: «В этом доме с 1905 по 1913 год жила выдающаяся певица русской эстрады Анастасия Дмитриевна Вяльцева (1871–1913)». Арх. Милорадович Т. Н. Гранит). Владела несколькими домами на набережной реки Карповки, которые завещала городу. В начале 1913 года по Петербургу разнеслось известие о том, что Вяльцева заболела раком крови. Сводки о состоянии её здоровья вывешивали на газетных киосках; муж с 1904 (конногвардейский офицер Василий Бискупский), несмотря на тяжёлое ранение, перенесённое в русско-японскую войну, стал донором при переливании крови, но ничего не помогло. 5 (18) февраля в возрасте 42-х лет Вяльцева скончалась. Могила Вяльцевой находится на Никольском кладбище Александро-Невской лавры.
В конце XX века личность и судьба Анастасии Вяльцевой послужили прообразом героини романа «Зелёные берега», принадлежащего перу Геннадия Алексеева, поэта, мастера русского верлибра.
1903 г., фотостудия «А.Ренцъ и Ф.Шрадеръ»
1910 г.
1910 г.