Originaire de Krasnodar, où elle a commencé son éducation musicale au Collège Rimski- Korsakov dans la classe de violon, Anastasia Belukova s'est formée au chant au sein de l'Académie d'art choral de Moscou. Par ailleurs, Anastasia Belukova a suivi le cursus complet de l'Académie russe de l'art théâtral, où elle obtenu un diplôme d'excellence en 2006. Anastasia Belukova se fait remarquer dès 1999 lors du concours vocal national obtenant le troisième prix. Au début des années 2000, elle est lauréate de plusieurs concours internationaux de chant et remporte en 2006 le premier prix du concours Romanciada.

La jeune soprano russe se produit régulièrement depuis 2003-2004 sur la scène de l'opéra Hélikon de Moscou, elle participe à de nombreux festivals, donne des récitals et chante avec orchestre. Depuis 2007, Anastasia Belukova est invitée à chanter sur la scène du Nouvel Opéra de Moscou. Au cours des dernières saisons, on a pu l'entendre dans Adèle (La Chauve-souris de Johann Strauss) et dans Barbarina (Les Noces de Figaro de Mozart), dans Ksenia (Boris Godounov de Moussorgski) et dans Ludmila (Rouslan et Ludmila de Glinka).

Son répertoire comprend également Haendel (elle chante Cléopâtre dans Jules César) et Donizetti (Adina dans L'Elixir d'amour), Rossini (Rosine dans Le Barbier de Séville) et Offenbach (Olympia dans Les Contes d'Hoffmann). Elle chante également dans plusieurs opéras de Mozart (L'Enlèvement au sérail, La Finta giardiniera, La Flûte enchantée...) et aborde régulièrement le répertoire baroque et contemporain jusqu'à la comédie musicale.

Au Festival de Colmar 2009, Anastasia Belukova a fait sensation dans un programme d'airs de cantates de Bach, programme repris avec un immense succès en décembre dernier à Moscou.