Аста София Амалия Нильсен родилась 11 сентября 1881 году в Копенгагене (Дания).
Ещё ребёнком она познакомилась с миром театра. Первый же фильм с её участием «Бездна» (1910) обеспечил ей контракт на производство нескольких фильмов в Германии, который впоследствии был продлён до 1915 года.
В начале Аста Нильсен снималась только в фильмах своего мужа режиссёра Петера Урбана Гада. Это были преимущественно роли противоречивых женщин, чьё поведение не соответствовало общественным нормам, как, например, в фильме «Чужая птица» (1911) или «Бедная Йенни» (1912). Но А. Нильсен демонстрировала также талант в комических ролях: роль в фильме «Ангелочек» ( 1914) произвела такой фурор, что было снято продолжение фильма. В России Аста Нильсен была признана самой популярной актрисой до 1914 года.
В 1916 году Аста Нильсен уехала в Данию и вернулась в Германию лишь после окончания Первой мировой войны. Теперь она снималась преимущественно в экранизациях литературных и драматических произведений. В 1920—1922 году она выступила продюсером трёх собственных фильмов, сыграв заглавную роль в одном из них, в «Гамлете». Снискали признание образы женщин из низших слоёв общества, сыгранные Астой Нильсен в «Безрадостном переулке» ( 1925), «Трагедии о служанках» (1927).
В 1923—1930 годы Аста Нильсен была женой и партнёром русского актёра Григория Хмары.
Аста Нильсен была признанной звездой немого кино и считалась одним из первых секс-символов. Её кинокарьера закончилась с появлением звукового кино, в котором она снялась лишь один раз. А. Нильсен обратилась к театру, а в 1946 году опубликовала автобиографию «Молчащая муза.
Скончалась Аста Нильсен в 1972 году в Дании.