Casada amb el músic João Gilberto (de qui es divorcià el 1964) esdevingué, sobretot a partir de la seva interpretació de la cançó d’Antônio Carlos Jobim Garota de Ipanema, una de les figures de la bossa nova i el jazz brasiler més influents i personals de la seva generació. Debutà el 1963 amb el disc The Boss of the Bossa Nova. Seguiren Getz/Gilberto (1964, amb el saxofonista Stan Getz, que incloïa la cançó esmentada), Look to the Rainbow (1965), A Certain Smile, a Certain Sadness (1966) i Beach Samba (1967). L’àlbum Live Today (1976) li reportà el reconeixement del públic al Tokyo Music Festival. A partir del duet amb George Michael del 1996 en què interpretaven Desafinado, la bossa nova penetrà profundament en la música anglosaxona, i repercutí en l’augment de la popularitat de Gilberto més enllà de l’òrbita musical llatina. El 1992 fou guardonada amb el premi Latin Jazz USA per la seva contribució a l’evolució del jazz llatí. El 2002 entrà a formar part de l’International Latin Music Hall of Fame. Aquest mateix any edità Jungle. Posteriorment publicà els àlbums The Diva Series (2003), Astrud Gilberto (2011), Astrud Gilberto the Bossa Nova Queen (2012) i Black Magic (2012).