Свою известность Наталья Вавилова получила еще в школьные годы, после выхода на телеэкраны фильма от режиссёра В. Меньшова «Розыгрыш», где юной актрисе досталась главная роль. Отец и мама Натальи планировали, что их дочь выберет путь дипломата. Никто предположить не мог, что карьера девочки будет связана с кинематографом.
На роль, Александры, в съёмках картины «Москва слезам не верит» Меньшов пригласил Вавилову. Режиссёр, только эту артистку, хотел видеть в роли Александры. Отец девушки был категорически против. Наталье было запрещено ходить на студию Мосфильма, рядом с которой проживала её семья. Ситуацию спас актер Баталов, который вместе с режиссёром наведался в дом Вавиловой и убедил её родителей, что девушке необходимо принять участие в съемках картины.
Получение одобрения родителей, стало важным событием в жизни молодой актрисы. На премьере фильма, Наталья познакомилась с режиссером Самвелом Гаспаровым, который в дальнейшем стал её мужем. Несмотря на большую разницу в возрасте, они прожили счастливо в браке сорок лет.
Кинокартина «Москва слезам не верит» была удостоена Оскара, а для Вавиловой это был пик ее популярности. Последующие картины, где снималась актриса, больше популярности такой не имели.
А на съемках исторической ленты в 1986 году Наталья получила серьёзную травму, упав с лошади. Пока Вавилова восстанавливалось, на её роль была утверждена другая актриса. А спустя пять лет прекратила карьеру в кинематографе.
Актриса посвятила себя мужу. Она занималась домашним хозяйством и садоводством. К большому сожалению, детей у Натальи не было. Её имя стало всё реже мелькать в прессе. А в 2020 году Наталья Вавилова потеряла мужа. Она тяжело переживает эту утрату. Сейчас актриса проживает в столице. Вавилова любит посещать музеи, а дома актрису всегда встречает её любимый пес.