Nastassja Kinski est la fille de l'acteur
Klaus Kinski et de Ruth Brigitte Tocki. À 14 ans, elle tourne son premier film Faux mouvement (1975) sous la direction de
Wim Wenders. Elle retrouvera ce réalisateur pour
Paris, Texas, qui a obtenu la Palme d'or au Festival de Cannes 1984, et pour
Si loin, si proche ! (1993). Contrairement à ce que l'on peut parfois lire, ce n'est pas elle qui interprète la fille d'Aguirre dans le film Aguirre, la colère de Dieu de
Werner Herzog, mais Cecilia Rivera. Elle prend goût à la comédie c'est ainsi qu'elle suit des cours à Londres et à l'Actors Studio de New York, avec
Lee Strasberg sous le parrainage de
Roman Polanski avec lequel elle aurait entretenu, à 18 ans, une liaison qui a défrayé la chronique à la fin des années 1970, suite au procès américain pour viol et à la fuite vers la France de celui-ci. Mais le réalisateur et la comédienne ont nié toute relation. Polanski la dirige dans
Tess en 1979 qui lui permet d'accéder à une renommée mondiale. Elle était réputée pour sa très grande beauté dans les années 1980 et 1990.
Elle a été mariée au producteur Ibrahim Moussa le 10 septembre 1984 ; ils ont eu deux enfants (Aljosha Kinski (1984) et Sonia Moussa (1986)) et ont divorcé en 1992. Elle a eu ensuite une fille Kenya (née le 9 février 1993), avec
Quincy Jones.
Elle a joué un grand éventail de rôles, mais son rôle le plus étrange est certainement celui de l'Ours Susie dans Hotel New Hampshire où son personnage passe sa vie dans un costume d'ours.
Elle a été membre du jury du Festival de Cannes 1988.
Elle parle couramment allemand, anglais, français, italien et russe.
Elle milite pour la Croix-Rouge internationale dans les médias.