Nastassja Aglaia Nakszynski Nyugat-Berlinben jött a világra a Werner Herzog filmekben ismertté vált, lengyel származású Klaus Kinski második házasságából, anyja Ruth Brigitte Tocki írónő volt. (Keresztnevét Dosztojevszkij A félkegyelmű című regényének nőalakjáról kapta.) A család sokat költözött, Nastassja iskolai tanulmányait Olaszországban és Dél-Amerikában végezte, közben a német és az angol mellé megtanult olaszul, spanyolul, oroszul és franciául is. A vándorélet szülei válása után ért véget, ő anyjával maradt, kapcsolata végletesen megromlott apjával. (A pszichopata és őrült szerepekre specializálódott híres-hírhedt filmszínészről néhány éve kiderült, hogy Nastassja féltestvérét gyermekként és tinédzserként rendszeresen molesztálta.)

A legenda szerint a német rendező, Wim Wenders felesége egy diszkóban látta meg a 13 éves lányt, aki férje figyelmébe ajánlott. Wenders egy néma zsonglőr szerepében próbálta ki Téves mozdulat című filmjében, ezzel elindult karrierje. Német tévéfilmekben nyújtott alakítását többször is a gyerekszínészeknek járó Otto-, illetve Bambi-díjjal jutalmazták. Az ismertséget egy jóval kommerszebb darab, a Tetthely című krimisorozat egyik epizódja hozta meg számára, igaz, a szerep be is skatulyázta koraérett, csábító gyereklánynak: ilyen szerepet kapott 17 évesen Marcello Mastroianni oldalán is egy feledhető alkotásban (Maradj meg ilyennek). A nála 28 évvel idősebb Roman Polanski rendező közbenjárására modellfelkéréseket kapott, és még nem volt húszéves, amikor arca a Vogue magazin címlapján mosolygott. Polanski 1979-ben ráosztotta a Thomas Hardy regényéből készült Egy tiszta nő főszerepét, amit a rendező eredetileg meggyilkolt feleségének, Sharon Tate-nek szánt. A filmet hat kategóriában jelölték Oscarra, amiből hármat meg is kapott, Kinski bekerült a köztudatba, alakításáért átvehette az év női felfedezettjének járó Golden Globe-díjat.

Szexideál lett belőle, képe az újságok címoldalára került, fotósorozata jelent meg a Playboyban, és csak kicsivel bízott többet a képzeletre az a híres plakát, amelyen egyetlen kígyó takarta legkényesebb testrészeit. Azért filmezett is, rendezte Francis Ford Coppola (Szívbéli), partnere volt Gérard Depardieu (Holdfény a csatorna felett) és a legendás balett táncos Rudolf Nurejev (Védtelenül), a Tavaszi szimfóniában ő volt Schumann szerelme. 1984-ben ismét Wim Wenders számított rá a Párizs, Texas című, a vándorlásról és otthonkeresésről szóló alkotásban, ugyanabban az évben a Maradok hűtlen híve című amerikai vígjátékban komédiázott. Andrej Koncsalovszkij főszerepet bízott rá a II. világháború okozta lelki sebekről szóló Mária szerelmeiben, majd Al Pacino és Donald Sutherland partnere volt az Amerika fegyverben című alkotásban. A nyolcvanas évek végén két orosz irodalmi adaptáció részese volt, előbb a Turgenyev nyomán készült Tavaszi vizek, majd az olasz Taviani testvérek Tolsztoj Szergij atya kisregénye nyomán készült Éjszakai nap című filmjében szerepelt. Az In una notte di chiaro di Luna című alkotásban, melyben a másik főszerepet Rutger Hauer alakította, az az olasz Lina Wertmüller instruálta, akit a filmtörténetben első női filmrendezőként jelöltek rendezői Oscarra.

A kilencvenes években szerepelt Wenders Berlin fölött az ég című alkotásának folytatásában, az emberré vált angyal történetét az újraegyesített Berlinben nyomon követő Távol és mégis közel című filmben, Gárdos Éva Magyarországon forgatott Amerikai rapszódiájában (2001) pedig egy 1956-os magyar menekültet alakított. Kipróbálta magát romantikus vígjátékban (Félrelépősdi), életrajzi filmben (a Gaugain életét bemutató Meglelt édenben a festőt Kiefer Sutherland személyesítette meg), kalandfilmben (Muskétás kisasszony) és pszichológiai drámában (a David Lynch rendezte Inland Empire) egyaránt. A nézők több tévéfilmben, illetve sorozatban is láthatták, köztük 2003-ban a Veszedelmes viszonyok egy újabb francia feldolgozásában.

A lapok magánéletével is bő terjedelemben foglalkoztak. Ibrahim Musszai egyiptomi producerrel, majd Quincy Jones amerikai zeneszerző-producerrel élt együtt, kapcsolataiból három gyermeke született.

Bár az utóbbi években ritkán lép kamera elé, részt vesz a filmes közéletben, megjelenik fesztiválokon, gyakran díszvendég vagy zsűritag egy-egy nemzetközi filmmustrán. 2011-ben meghívta tagjai közé az Oscar-díjak odaítéléséről döntő Amerikai Filmakadémia. 2015-ben a kolozsvári Transsilvania Nemzetközi Filmfesztiválon a világ filmművészetéhez való hozzájárulása elismeréseként vehetett át díjat. 2017-ben a locarnói, egy évvel később a moszkvai filmfesztivál életműdíjával tüntették ki.