Nacida en Berlín, Nastassja Kinski inició su carrera como modelo en la adolescencia, y debutó en el cine de la mano del director Wim Wenders en Falsche Bewegung (Falso movimiento) en 1975. Siguió trabajando en la pantalla, con importantes papeles en el telefilm dirigido por Wolfgang Petersen Reifezeugnis (1977) y en el film de Alberto Lattuada Cosi come sei (Así como eres, 1978) al lado de Marcello Mastroianni.

La consagración le llegaría gracias a su encarnación de la protagonista del film de Roman Polanski Tess (1979), que le valió un Globo de Oro a la Nueva Estrella del Año y una nominación para los Premios César. A partir de ese momento, Nastassja se convirtió en una de las más solicitadas actrices del panorama cinematográfico. Trabajó al lado de importantes cineastas y actores en una carrera que se desarrolló tanto en Europa como en Estados Unidos: con Francis Ford Coppola en One from the Heart (Corazonada, 1982) y Paul Schrader en Cat People (El beso de la pantera, 1982), que protagonizó junto a Malcolm McDowell; tuvo como compañeros de reparto a Rudolf Nureyev y Harvey Keitel en el film de James Toback Exposed (Un cebo llamado Elizabeth, 1983); en La lune dans le caniveau de Jean-Jacques Beineix, con Gerard Depardieu y Victoria Abril; Dudley Moore fue su pareja en la comedia Unfaithfully Yours (Infielmente tuya, 1984) de Howard Zieff; junto a Jodie Foster y Rob Lowe intervino en el film de Tony Richardson The Hotel New Hampshire (El hotel New Hampshire, 1984), y bajo la dirección de Andrei Konchalovsky protagonizó Maria's Lovers (Los amantes de María, 1984), con Keith Carradine y John Savage.

Colaboró de nuevo con Wim Wenders en una de sus más celebradas películas del director Paris, Texas (París, Texas, 1984), que obtuvo la Palma de Oro en el Festival de Cannes, y, más tarde, en In weiter Ferne, so nah! (Tan lejos, tan cerca, 1993). Ganó el premio a la mejor actriz en los German Film Awards por su interpretación en el film de su compatriota Peter Schamoni Frühlingssinfonie (Sinfonía de primavera, 1983). Ha trabajado con otros importantes directores europeos como Jacques Deray (Maladie d'amour, 1987), Monica Teuber (Magdalene, 1988), Lina Wertmuller (In una notte di chiaro di luna,1989), Paolo y Vittorio Taviani (Il sole anche di notte / El sol también sale de noche, 1990), Andrey Eshpay (The Insulted and the Injured, 1991) –que interpretó junto a Nikita Mikhalkov–, Michael Winterbottom (The Claim / El perdón, 2000), Éva Gardós (An American Rhapsody / La pesadilla de Susi, 2011). También ha protagonizado Il Torno di notte lo fanno le stelle (2012) de Edoardo Ponti, premio al mejor cortometraje en el Festival de Tribeca.

Nastassja también ha continuado su carrera en Estados Unidos al lado de populares estrellas de Hollywood: con Charlie Sheen y James Gandolfini en Terminal Velocity (Velocidad terminal, 1994) de Deran Sarafian; Robin Williams y Billy Cristal en la comedia de Ivan Reitman Father's Day (Un lío padre, 1997); Wesley Snipes en One Night Stand (Después de una noche, 1997) a las órdenes de Mike Figgis, o con Ben Stiller en el film de Neil LaBute Your Friends & Neighbours (Amigos y vecinos, 1998).