В 1994 году начала карьеру ведущей балерины Мариинского театра, а в 1998 получила от Владимира Васильева приглашение в Большой театр на главную партию Царевны-Лебедь в постановке «Лебединого озера». Скандальное увольнение Волочковой из Большого театра в 2003 году широко освещалось в прессе. С тех пор она работает над сольными проектами, а также является объектом светской хроники.
Анастасия родилась 20 января 1976 года в семье Юрия Фёдоровича, чемпиона Советского Союза по настольному теннису 1983 года, тренера по легкой атлетике в спортшколе, и Тамары Владимировны, гида-экскурсовода по Санкт-Петербургу. По словам самой Волочковой, она мечтала стать балериной с пяти лет, с тех пор, как мама сводила её на балет «Щелкунчик» в Мариинский театр.
Выпускница Санкт-Петербургской академии русского балета, ученица известного педагога Натальи Дудинской. В 1994 году начинает карьеру ведущей балерины Мариинского театра. Исполняет главные партии в таких постановках, как «Жизель», «Раймонда» и «Жар-птица».
В 1998 году получает от Владимира Васильева приглашение в Большой театр на главную партию Царевны-Лебедь в его новой постановке «Лебединого озера». Станцевала также партии Никии («Баядерка»), Раймонды, Феи Сирени («Спящая красавица») в постановке Юрия Григоровича. Наряду с работой в труппе Большого театра балерина начинает сольную карьеру, выступая с собственными концертными номерами и в труппе других театров.
С 2000 по 2005 год с перерывами продолжался конфликт Волочковой с администрацией Большого театра. В 2000 году Волочкова после гастролей в Великобритании получила ангажемент в Лондоне в Английский Национальный Балет. Хореограф Дерек Дин специально для Анастасии сочиняет новый образ Феи Карабос («Спящая красавица»). В результате её контракт с Большим театром ограничился второстепенными партиями. Однако в марте 2000 года балерина возвращается в Москву и подписывает контракт на следующий сезон на главные роли в Большом театре. В это же время Волочкова превращается в звезду светской хроники, таблоидов, постоянно появляется в различных телевизионных шоу и становится «лицом» ювелирного дома Chopard.
В 2003 году администрация отказывается подписать очередной контракт на год, ограничиваясь четырьмя месяцами. Волочкова в ответ обращается в судебные инстанции и поднимает полемику о правомочности такого решения в СМИ. В сентябре 2003 года балерина была официально уволена из труппы. Формальным поводом стало то, что балерина не соответствует требованиям физической формы и ей невозможно подобрать партнёра. Евгений Иванченко, единственный партнёр балерины, получив травму, уволился из театра.
Хотя в итоге суд принял сторону истицы Волочковой, в результате тяжбы она покинула труппу Большого театра. С 2005 года она работает в собственных проектах, снимается в фильмах, телевизионных сериалах и рекламных роликах.
В 2004 году 28-летняя Волочкова была гостем программы «Школа злословия», во время которой ведущие задавали ей вопросы, касающиеся духовности, искусства, публичного имиджа и политики. В какой-то момент речь зашла о сносе Военторга на Воздвиженке, и Волочкова ответила, что не знала, что его снесли, но не против, «если на этом месте создастся и возникнет что-то более достойное, более красивое и приносящее благо». Тогда ведущие заметили, что Военторг — один из памятников конструктивизма, которых в Москве осталось очень мало, на что Волочкова ответила: «А может, это хорошо?» Жесткой критике подверглись вкусы Волочковой в живописи (среди своих любимых художников она назвала Шишкина, Айвазовского и Глазунова). В конце программы речь зашла о партии «Единая Россия»; Волочкова призналась, что никогда не читала программу партии.
В 2007 году Волочкова участвовала в проекте Первого канала «Ледниковый период» в паре с фигуристом Антоном Сихарулидзе и в третьем сезоне шоу (в 2009 году) в паре с Максимом Марининым
В 2009 году была выпущена автобиография Волочковой «История русской балерины».
17 июня 2010 года Волочкова защитила диссертацию по теме творческих школ в регионах России и получила степень МВА в Высшей школе экономики.
В 2003 году стала членом партии «Единая Россия». 2 февраля 2011 года объявила о том, что вышла из партии, в связи с опубликованием скандальных фотографий и реакцией на это однопартийцев.
В 2005 году открыто высказала свою гражданскую позицию по громкому судебному процессу, подписав, в числе 50 представителей общественности, «Письмо в поддержку приговора бывшим руководителям ЮКОСа» В 2009 году подавала документы на участие в выборах мэра Сочи (столицы будущей Олимпиады 2014 года), но получила отказ в регистрации.
11 февраля 2011 года Волочкова обвинила замглавы администрации президента России Владислава Суркова в том, что под его давлением программы на Первом канале и НТВ с её участием были сняты с эфира. Тем не менее, программа «Пусть говорят», посвященная 35-летию Волочковой, вышла в эфир 20 апреля 2011 года — спустя несколько месяцев после съемок.
Два с половиной года встречалась с олигархом Сулейманом Керимовым. Пара рассталась в 2003 году. С его именем Волочкова связывает увольнение из Большого театра, последовавшую после него антипиаровскую кампанию, а также другие творческие и личные неудачи.
В 2007 году вышла замуж за бизнесмена и доктора юридических наук Игоря Александровича Вдовина, от него имеет дочь Ариадну Волочкову (Ариша) (род. 2005). По сообщениям СМИ через год между молодожёнами начались трения, они расстались, но поддерживают дружеские отношения.
Анастасия Волочкова проживает в Москве и Санкт-Петербурге.
11 января 2011 года Волочкова выложила в своём блоге откровенные фотографии с отдыха на Мальдивах. По признанию балерины, на такой шаг она пошла «назло папарацци» и потому, что стесняться ей нечего. Фотографии вызвали большой резонанс в прессе.