In carriera si è aggiudicata 12 titoli, di cui due di categoria Premier (attuale WTA 500): Open GDF Suez 2014 e Kremlin Cup 2014. In doppio, invece, vanta 5 titoli, il più prestigioso il Premier Mandatory (attuale WTA 1000) di Madrid 2015.
Nei tornei del Grande Slam, in singolare, si è spinta fino alla finale al Roland Garros 2021 e fino ai quarti di finale in tutti gli altri tornei in entrambe le specialità.
Completa il suo palmarès l'oro olimpico vinto nel doppio misto in coppia con Andrej Rublëv alle Olimpiadi di Tokyo 2020.
Per quanto riguarda i migliori piazzamenti in classifica, in singolare ha raggiunto la 11ª posizione nel novembre del 2021, mentre in doppio alla 21ª nel settembre del 2013.
Biografia Allenata dal padre e dal fratello, è stata seguita anche da Patrick Mouratoglou. Proviene da una famiglia di sportivi: la nonna ha giocato nella nazionale sovietica di basket, il nonno è stato anch'egli cestista di buon livello, il padre è un ex canoista, la madre ha praticato il nuoto per molti anni. Anastasija si trova bene soprattutto sulla terra rossa.
Carriera giovanile Anastasija Pavljučenkova ha colto il suo primo importante successo vincendo l'Australian Open junior 2006, battendo Caroline Wozniacki. Si è poi imposta anche allo US Open su Tamira Paszek e ha difeso il titolo all'Australian Open 2007, sconfiggendo in finale Madison Brengle. Nel 2006 si è laureata campionessa mondiale under 18.
Carriera da professionista 2005 - 2008 I suoi successi giovanili le hanno permesso di entrare nel giro dei tornei professionistici ITF e WTA. L'esordio avviene in Repubblica Ceca, al torneo di Praha Pruhonice nel dicembre 2005: batte al primo turno Sanja Ančić ma viene sconfitta subito dopo.
A maggio 2006 vince il suo primo torneo a Casale Monferrato sconfiggendo in finale l'italiana Stefania Chieppa. In ottobre riceve una wild card per partecipare alla Kremlin Cup, dove perde al primo turno da Nicole Vaidišová 6-3 6-3.
A gennaio successivo fallisce di poco la qualificazione agli Australian Open, perdendo con Julia Vakulenko all'ultimo turno di qualificazione. Nel 2007 non ottiene risultati di particolare rilievo, ma con due wild card partecipa al torneo di Wimbledon (fuori al primo turno per mano di Daniela Hantuchová 6-0 6-1 in 40 minuti) e all'US Open dove passa il primo turno su Betina Jozami, ma perde poi al secondo da Kira Nagy.
Nel 2008 è entrata tra le prime 100 sia in singolare (chiudendo l'anno al numero 45) che in doppio (numero 99). In singolo ha vinto i tornei ITF di Mosca, Minsk, Poitiers e Bratislava ed ha raggiunto i quarti a Palermo, oltre che il terzo turno a Wimbledon. In doppio ha conquistato il suo primo torneo maggiore a Fès in coppia con Sorana Cîrstea.
2009 Anastasija raggiunge la ventottesima posizione, grazie all'ottimo risultato ottenuto a Indian Wells dove ha raggiunto la semifinale battendo due top-10, Jelena Janković ed Agnieszka Radwańska. Anastasia ha anche fatto il suo esordio in Fed Cup giocando contro la nazionale italiana, ma nonostante un'ottima partita è stata sconfitta dalla Schiavone. Anastasia è stata poi eliminata dal torneo di Fès dall'ungherese Melinda Czink che l'ha estromessa al secondo turno.
Anastasia si è spinta fino al terzo turno del Roland Garros dove ha però ceduto nettamente alla numero uno del mondo Dinara Safina. A Wimbledon Anastasia ha perso al secondo turno contro l'italiana Roberta Vinci in 2 set. Allo US Open viene sconfitta al primo turno da Melanie Oudin.
2010 Nel 2010, si vede la giovane russa migliorare in classifica: iniziando la stagione al numero 40 del mondo, infatti, Anastasia la conclude al numero 20, anche se poche settimane prima, si era posizionata anche alla numero 19. Nell'arco dell'anno riesce a vincere due tornei WTA: il primo a Monterrey battendo in ordine Anna Tatišvili, Polona Hercog, Klára Zakopalová, Anastasija Sevastova e Daniela Hantuchová. Il secondo invece ad Istanbul, dove batte Marta Domachowska, Magdaléna Rybáriková, Sorana Cîrstea, Jarmila Gajdošová e Elena Vesnina. Negli Slam ottiene il secondo turno agli Australian Open, il terzo turno al Roland Garros, il terzo turno a Wimbledon e il quarto turno agli US Open. Come miglior risultati della stagione, spiccano i quarti a Brisbane, i quarti a Dubai, il terzo e quarto turno ad Indian Wells e Miami, i quarti a Ponte Vedra Beach, i quarti a Portorose, le semifinali a Cincinnati e il terzo turno a Tokyo.
2011
Nel 2011, ottiene il best ranking al numero 13 del mondo. Negli Slam ha raggiunto il terzo turno agli Australian Open, i quarti al Roland Garros, il secondo turno a Wimbledon e i quarti agli US Open. Vince un altro torneo WTA, sempre a Monterrey battendo in ordine Eléni Daniilídou, Melanie Oudin, Gréta Arn, Gisela Dulko e Jelena Janković. I miglior risultati della stagione sono la semifinale a Brisbane, il terzo e quarto turno ad Indian Wells e Miami, i quarti a Madrid, il terzo turno a Roma, i quarti a Baku, i quarti a New Haven e i quarti a Pechino. Conclude l'anno al numero 15 della classifica WTA.
2012
Il 2012 è un anno di appannamento della giovane russa, che si riprende nella seconda parte dell'anno. Negli Slam ottiene il secondo turno agli Australian Open, il terzo turno al Roland Garros, il secondo turno a Wimbledon e il secondo turno agli US Open. Riesce a raggiungere solo una finale a Washington, persa contro Magdaléna Rybáriková. I migliori risultati dell'anno sono il terzo turno a Charleston, i quarti a Eastbourne, i quarti a Båstad e i quarti a Cincinnati. Conclude l'anno al numero 35 del mondo.
2013
Inizia il 2013 con una finale a Brisbane, persa contro Serena Williams. In seguito sigla tre sconfitte al primo turno: agli Australian Open (contro Lesja Curenko), a Parigi (contro Yanina Wickmayer) e a Dubai (contro Ana Ivanović). Conquista la semifinale a Kuala Lumpur, ma viene sconfitta da Bethanie Mattek-Sands. Perde all'esordio ad Indian Wells e Miami. Si porta a casa la quarta vittoria della sua carriera, vincendo per la terza volta il torneo di Monterrey, battendo in 3 set la tedesca Angelique Kerber. Prima della semifinale di Fed Cup tra Russia-Slovacchia, la Pavljučenkova ha dichiarato che ha iniziato un rapporto di collaborazione a tempo pieno con la ex numero 1 del mondo Martina Hingis e proprio in Fed Cup la russa gioca il suo primo match con Martina come allenatrice, perdendolo contro Dominika Cibulková in tre set. Incontra la Kerber anche al secondo turno del torneo di Stoccarda e questa volta deve cedere 6-0, 6-4.
La settimana seguente, invece, conquista il secondo titolo stagionale, il quinto della carriera e il primo su terra rossa ad Oeiras, battendo nell'atto conclusivo la spagnola Carla Suárez Navarro con il punteggio di 7-5, 6-2. Pochi giorni dopo, scende in campo al torneo di Madrid dove affronta al primo turno la temibile Viktoryja Azaranka; nonostante abbia ben figurato, la russa cede con un doppio tie-break. Nel primo set rimonta dal 3-5 e riaggancia sul 5-5, mantengono poi i loro turni di servizio ed arrivano al tie-break che si chiude per 10 punti ad 8 per la Azarenka; nel secondo invece va sotto 2-5, recupera lo svantaggio e serve per il set sul 6-5 dove non riesce a sfruttare ben tre set point, lasciandosi così togliere il servizio dall'avversaria per poi perdere il secondo tie-break per 7 punti a 3. Le va meglio in doppio, dove conquista il titolo insieme a Lucie Šafářová battendo in finale Cara Black e Marina Eraković per 6-2, 6-4. A Roma, riesce a conquistare appena due giochi contro la svizzera Romina Oprandi al primo turno.
Al Roland Garros perde a sorpresa contro la rientrante Petra Cetkovská nel match di secondo turno. Le va male anche a Wimbledon dove riesce a racimolare solo un gioco nella partita di primo turno contro Cvetana Pironkova. Ritorna a giocare a Toronto dove viene sconfitta al secondo turno da Li Na per 6-1, 6-4. La settimana seguente, a Cincinnati, perde all'esordio per mano di Jamie Hampton con il risultato finale di 7-5, 4-6, 6-3. A New Haven, viene punita da Petra Kvitová nei quarti non riuscendo a sfruttare le occasioni per chiudere la partita, perdendola per 2-6, 6-2, 7-5. Agli US Open, dopo aver battuto nei primi due turni Virginie Razzano e Ashleigh Barty, viene sconfitta al terzo turno da Agnieszka Radwańska per 6-4, 7-6. Raggiunge, poi, la quarta finale dell'anno a Seul perdendola proprio contro la Radwańska questa volta dopo una battaglia durata quasi tre ore con il punteggio di 6-7, 6-3, 6-4. La settimana seguente, a Tokyo, si ritira al primo turno contro Simona Halep. Al China Open di Pechino, si ferma al primo turno in tre set da Jelena Janković.
2014 La russa comincia la stagione a Brisbane, dove ha la meglio su Alla Kudrjavceva (7-6(4) 4-6 6-3). Al secondo turno è costretta al ritiro contro Angelique Kerber, sul 2-6 3-4. Dopo un'uscita prematura a Hobart, partecipa all'Australian Open: vince le prime 2 partite su Pereira e Minella in due parziali ma, ai sedicesimi, si arrende ad Agnieszka Radwańska con lo score di 7-5 2-6 2-6.
In seguito, la russa partecipa all'Open GDF Suez di Parigi: nei primi due turni, si impone a fatica su Schiavone (1-6 6-4 6-1) e su Suárez Navarro (6-2 3-6 6-3); ai quarti, si prende la rivincita contro Kerber, battendola per 5-7 6-3 7-6(3). In semifinale, sconfigge la nº1 del seeding Marija Šarapova, con lo score di 4-6 6-3 6-4. Accede alla prima finale dell'anno, la nona in carriera. Nell'ultimo atto, supera la 3° top ten del torneo, Sara Errani, con il punteggio di 3-6 6-2 6-3, vincendo il sesto titolo WTA in carriera, il primo di livello Premier.
A Doha, elimina la lucky loser Majeric in tre set mentre al secondo turno viene battuta da Mirjana Lučić-Baroni, per 4-6 1-6. Non figura bene né a Indian Wells né a Miami, uscendo al terzo e al secondo turno rispettivamente.
Sulla terra, esce al secondo turno a Stoccarda (contro Šarapova) e al terzo a Madrid (dopo aver battuto la nº7 del mondo Janković). A Roma si fa sorprendere dalla giovane Belinda Bencic mentre, a Parigi, si ritira nel match di secondo turno contro la qualificata Bertens. Sull'erba non ottiene risultati degni di nota: a Eastbourne sconfigge la seconda top-5 dell'anno, Agnieszka Radwańska, al tie-break del terzo; al secondo turno, tuttavia, si arrende alla connazionale Makarova in due set. A Wimbledon viene subito estromessa da Alison Riske.
Nello swing americano, ottiene come miglior risultato due quarti di finale: il primo a Washington, dove perde ancora da Makarova (6(3)-7 3-6). il secondo a Cincinnati, dove viene estromessa da Šarapova.
Dopo risultati poco entusiasmanti nei tornei asiatici, la russa gioca l'ultimo torneo alla Kremlin Cup, dove è testa di serie nº6: vince nettamente i primi due match su Konjuh (6-3 6-4) e Riske (doppio 6-2). Ai quarti, elimina la qualificata D'jačenko con lo score di 6-1 3-6 6-3 e, in semifinale, supera un'altra qualificata, Siniaková, con il punteggio di 6-2 6-2. Nell'ultimo atto, si impone sulla romena Irina-Camelia Begu per 6-4 5-7 6-1, vincendo il secondo titolo stagionale (sempre Premier) e il settimo in carriera.
Chiude l'anno al numero 25 del mondo.
2015: altre 2 finali WTA L'anno della russa si avvia agli Australian Open dove si arrende al primo turno a Yanina Wickmayer per 6-4 3-6 3-6. Anche a Dubai si ferma all'esordio contro Karolína Plíšková, per 4-6 2-6. La prima vittoria dell'anno la trova a Monterrey, dove, accreditata della 5ª testa di serie, sconfigge al primo turno Anna Karolína Schmiedlová, per 4-6 6-3 6-0. Anche al secondo ottiene la vittoria su Johanna Larsson, con lo score di 6-4 6-4 ma, la sua avventura, finisce ai quarti di finale, sconfitta da Sara Errani, per 5-7 4-6. Ad Indian Wells batte Larsson e Strýcová in 2 set, prima di cedere a Carla Suárez Navarro 7-6(4) 6(5)-7 6-0. A Miami, dopo aver superato Vera Zvonarëva (7-5 al terzo), esce di scena al secondo per mano di Sara Errani in 2 set. A Charleston è costretta al ritiro contro Sara Sorribes Tormo.