Анастасия Городенцева родилась 14 июня 1983 года в городе Москва. В детстве занималась в театральной студии, участвовала в школьных постановках. В 2003 году окончила Высшее театральное училище имени Михаила Щепкина, отучившись на курсе Юрия Соломина. Затем поступила в Театральный институт имени Бориса Щукина на режиссерский факультет.
С 2003 года по 2007 годы служила в труппе Московского драматического театра «Бенефис». С 2010 года начала сотрудничать с МХТ имени Чехова. Среди сценических работ Городенцевой роли в постановках «Стеклянный зверинец», «Беда от нежного сердца», «Отелло», «Фантазии Фарятьева», «Женитьба Бальзаминова», «Голый король», «Призраки», «Сватовство по-московски», «Инопланетяне», «Ура, король!», «Роман втроем», «Мой папа самый-самый», «Шлямпопо», «Веселая квартирка», «Ангел» и другие.
В 2005 году Анастасия дебютировала как киноактриса, появившись в сериале «Люба, дети и завод.» режиссеров Карена Захарова и Леонида Мазора. Затем были съемки в телефильме «Врачебная тайна» со Степаном Рожновым и Андреем Барило.
В 2007 году актриса появилась в полнометражной драматической картине «Отец» о послевоенной жизни вернувшегося домой солдата. Тогда же она была задействована в съемках сериала «Атлантида», где центральных персонажей сыграли Нелли Уварова, Наталья Гудкова, Михаил Мамаев и Алексей Завьялов.
Успешной для Анастасии стала роль Ирины Зальцман в драме «Любка», созданной по рассказу Дины Рубиной и повествующей о параллельных судьбах двух совершенно разных девушек, живущих в непростое время. Также фильмография актрисы включает работу в мелодраматическом сериале «Дом малютки», комедии «Олимпийская деревня», криминальном проекте «Команда Че», в которых она сыграла центральных персонажей.
В 2016 году Городенцева получила главную роль - воздушной эквилибристки Эльзы - в военной восьмисерийной драме «Смертельный номер», где задействованы также Александр Робак, Владимир Селезнев, Юлия Галкина, Владимир Стеклов, Сергей Барковский и другие.
Анастасия - супруга актера, режиссера, сценариста и продюсера Александра Сухарева, работавшего над криминальным детективом «Азазель», мелодрамами «Шальной ангел», «Атлантида», «Кружева», «Выйти замуж любой ценой» и другими.
В свободное от работы время Городенцева, обладающая лирическим сопрано, занимается вокалом и классическим танцем.