«Мне было лет двенадцать, я болела, лежала дома и не знала, что подарить маме на день рождения. Папа предложил мне расписать кухонную доску», — вспоминала Немоляева. Но Анастасия не пошла по стезе дизайнера: уже в 11-летнем возрасте девочку пригласили сниматься в картине «Старый Новый год». Опыт был удачным, и юную актрису вновь позвали в кино. Эпизодические роли не сделали Немоляеву известной. Звездный час артистки настал, когда она превратилась из ребенка в привлекательную девушку.

Режиссер Карен Шахназаров долго искал подходящую актрису на роль профессорской дочки Кати Кузнецовой для трагикомедии «Курьер». Он отсмотрел десятки кандидаток, пока оператор Николай Немоляев не решился привести на съемочную площадку наследницу. Длинноволосая девушка со скромной улыбкой понравилась Шахназарову. Проблема возникла у режиссера и с выбором актера на главную роль. 16-летняя артистка не растерялась и предложила постановщику пригласить на пробы ее одноклассника Федора Дунаевского. Это было попадание точно в цель: своенравный парень «из народа» и скромная Анастасия идеально сыграли персонажей.

Одной из известных ролей Немоляевой считают персонажа Ляльки из «Интердевочки», медсестры, которая нашла богатого спонсора. За год фильм посмотрело более 40 миллионов человек: актуальная тема и ансамбль ярких актеров во главе с Еленой Яковлевой обеспечили ленте успех. У картины вышла и новая версия под названием «Жена для метрдотеля», где Немоляева предстала в роли супруги преступника, которая становится женщиной легкого поведения, когда распадается ее брак. Анастасия работала в театре и продолжала сниматься, однако для большинства зрителей так и осталась «Лялей».