Наталья Владимировна Варлей родилась в Румынии. Её отец Владимир Викторович был капитаном дальнего плавания, а мать Ариадна Сергеевна внучкой потомственного горного инженера. Согласно семейному преданию фамилия Варлей — валлийская. Предки Натальи приехали в Россию из Уэльса. В девятнадцатом веке некий фабрикант приехал в Россию, привезя с собой конюшню. В ней были два брата жокея по фамилии Варлей, они остались в России и женились на русских девушках.
Своё детство Наталья провела в столице Заполярья городе Мурманске. Она была очень одарённой девочкой. Уже с четырёх лет начала писать стихи, хорошо рисовала, а позже поступила в музыкальную школу. Из-за проблем со здоровьем ей нельзя было посещать в школе уроки физкультуры.
В конце пятидесятых годов семья переехала в Москву. Как-то раз мама повела Наташу в цирк, на кассе девочка заметила объявление о наборе детей её возраста в цирковую студию. На следующий же день она в тайне от родителей пришла по адресу, который был указан в объявлении. Педагоги студии, осмотрев Наталью, согласились принять её. Наталья Варлей окончила отделение акробатики Государственного училища циркового и эстрадного искусства в 1965 году и до 1967 года работала эквилибристкой в составе труппы Московского цирка на Цветном бульваре. Ей довелось выступать вместе с известным клоуном Леонидом Георгиевичем Енгибаровым. Именно благодаря знакомству с ним Наталья попала в кино. Известный клоун имел много знакомых в кино среде, одним из них был режиссёр Георгий Юнгвальд-Хилькевич из Одессы. Однажды на представлении в цирке режиссёр заметил Наталью, юная эквилибристка настолько ему понравилась, что он предложил ей роль в своём новом фильме.
Премьера фильма «Кавказская пленница» состоялась в Москве, в апреле 1967 года. Фильм был настолько успешен, что к актрисе пришла всенародная слава. Её везде узнавали, назойливые поклонники не давали ей прохода, и вся страна напевала песню про белых медведей. Гонорар актрисы за съёмки в фильме был небольшим – 200 рублей, ещё 100 рублей она получила после успеха фильма. После съёмок в фильме Наталья Варлей приняла решение уйти из цирка и поступить в Театральное училище имени Щукина. В октябре 1967 года актриса сыграла главную роль в фильме «Вий» режиссёров К. Ершова и Г. Кропачева. Это был первый в отечественном кинематографе фильм ужасов. В нём Варлей сыграла роль Панночки. Театральное училище Наталья Варлей окончила в 1971 году. С 1971 по 1978 годы работала актрисой в театре имени Станиславского. Её дебютом была роль Роз-Мари Фей в спектакле «Альберт Эйнштейн» Н. Погодина. Вскоре из-за беременности Наталья взяла декретный отпуск, вернулась обратно в театр в 1972 году. Ей было тяжело разрываться между театром и домом. В 70-80-е годы актриса продолжала сниматься в кино, самыми удачными её фильмами в эти годы были: «Большой аттракцион» (Даша Калашникова), «Мой папа — идеалист» (Алена), «Не хочу быть взрослым» (Катя, мама Павлика).
В 90-х годах Наталья практически прекратила съёмки в кино, она объясняла это тем, что ей не предлагают хороших ролей. Последняя её заметная работа в этот период - роли Гингемы и Бастинды в фильме "Волшебник Изумрудного города", в 1994 году. Возвращение актрисы в большое кино произошло в 2006 году, она снялась в фильме «Волкодав из рода Серых Псов», в роли матери Кендарат.
Первым мужем Натальи Владимировны стал известный режиссёр и актёр Николай Бурляев. Их брак состоялся в 1967 году. Актёр Леонид Филатов, а также его друзья сатирик Михаил Задорнов и актёр Владимир Качан пытались отговорить её от этого, но безуспешно. Уже через несколько лет Варлей и Бурляев развелись. Второй раз Наталья вышла замуж за Тихонова Владимира, который был её однокурсником и сыном актрисы Нонны Мордюковой и актёра Вячеслава Тихонова. Дела в семье не ладились, Владимир Тихонов злоупотреблял алкоголем, на этой почве между супругами постоянно происходили скандалы. В 1971 году они развелись. А в январе 1972 года у них родился сын - Василий. В 1985 году во время обучения в Литературном институте имени М. Горького у Натальи Варлей родился второй сын - Александр. Кто отец ребенка доподлинно неизвестно.
1984 год Государственная премия РСФСР имени Крупской за роль мамы Кати в фильме «Не хочу быть взрослым». 1989 год Заслуженная артистка РСФСР. 17 мая 2002 года стала обладательницей приза "Немеркнущая зрительская любовь" на фестивале "Виват кино России!" 30 июля 2010 года награждена Орденом Дружбы за заслуги в развитие отечественной культуры и искусства и многолетнюю плодотворную деятельность.