Anastasia Dotsenko fait ses débuts en Coupe du monde le avec une en sprint à Rybinsk. Elle grimpe progressivement dans la hiérarchie mondiale et obtient sa qualification pour les Championnats du monde 2011 avec pour meilleur résultat une au sprint par équipes avec Julia Ivanova. Le à Moscou, elle monte pour la première fois de sa carrière sur un podium en Coupe du monde avec une troisième place en sprint derrière Justyna Kowalczyk et Natalia Korosteleva. Elle confirme la saison suivante lors du sprint de la Nordic Opening 2012 avec un podium (troisième derrière la Norvégienne Marit Bjørgen et sa compatriote Evgenia Shapovalova). Aux Championnats du monde de Val di Fiemme en 2013, elle se classe quinzième du sprint classique et du libre.