Она появилась на свет 23 декабря 1934 года в Харькове в семье военного и работницы ателье. С детства будущая актриса занималась музыкой — в этом её поддерживал отец, который хорошо пел и играл на фортепиано. Чтобы купить пианино дочери, он продал свою лучшую пару сапог. Но отношения с педагогами музыкальной школы у Наташи не сложились, поэтому завершить учёбу не удалось. Однако любовь к музыке никуда не делась — Фатеева часто ходила в Харьковский театр оперы и балета и знала многие арии наизусть.
Уже в старших классах Наталья Фатеева твёрдо решила, что станет артисткой, но в школьный драмкружок её не приняли — сочли слишком уж высокой. Сдаваться Наташа не собиралась и после школы подала документы в Харьковский театральный институт, куда её взяли с первой же попытки. На своём потоке она была единственной, кто сдал все вступительные экзамены на «отлично».
В первый же год обучения Фатеева устроилась работать диктором на телевидение. Как ни странно, ранние успехи поспособствовали тому, что уже на третьем курсе девушку отчислили из института. Одна из её преподавательниц вспоминала, что Фатеева была слишком заносчивой и не считалась с мнением других. Но сама актриса никогда не объясняла, с чем было связано её отчисление. Уже через три года она поступила во ВГИК — попала в легендарную мастерскую Сергея Герасимова и Тамары Макаровой, причём приняли её сразу на четвёртый курс.
В кино Наталья Фатеева дебютировала в 1956 году — в мелодраме «Есть такой парень» режиссёра Виктора Ивченко. В том же году она снялась в приключенческом фильме «Капитан „Старой черепахи“», а уже во время учёбы во ВГИКе — в картинах «Случай на шахте восемь» и «Дело „пёстрых“». В то время актриса ещё не нашла свой стиль — не всякий узнает в округлой блондинке знаменитую Наталью Фатееву.
В интервью сама актриса признавалась, что не любит свою роль в «Деле „пёстрых“». Фильм снимали главным образом ночью, и молодая актриса чувствовала постоянную усталость — после занятий в институте на площадке хотелось не играть, а спать. Кроме того, Фатеева считала, что выглядела на экране очень плохо: «Нет, к самой ленте у меня отношение вполне нормальное, но на себя я там просто смотреть не могу. Я в нём просто на себя не похожа. Слишком располневшая, так как до этого неправильно питалась».
В 60-х Наталья Фатеева похудела, стала брюнеткой и снялась в фильмах, которые принесли ей настоящую известность и звание «советской Лиз Тейлор». После премьеры картины «Три плюс два» актриса стала звездой — лирическую комедию посмотрело более 35 миллионов советских граждан. Во время съёмок Наталья Фатеева, которая играла дрессировщицу, сама выполняла некоторые трюки и входила в клетку с тиграми. Однако этот материал оказался бракованным — во все кадры попал профессиональный дрессировщик Вальтер Запашный, который очень переживал за актрису и на протяжении всех съёмок не спускал тигра с поводка.
Не обошлось на съёмках «Три плюс два» и без страстей — в 29-летнюю Наталью Фатееву без памяти влюбился 21-летний Андрей Миронов. Артист писал письма о «взрослой и умной» партнёрше по съёмкам своей маме, сумел добиться расположения Натальи и по возвращении в Москву сообщил всем, что собирается на ней жениться. Но несмотря на пыл молодого артиста и красивые ухаживания, Фатеева предпочла другого — немецкого актёра Армина Мюллер-Шталя. Правда, из отношений с ним тоже ничего не вышло.
Работа, которую Наталья Фатеева называла самой любимой в своей карьере, — это роль в картине Фрунзе Довлатяна «Здравствуй, это я». В фильме о двух друзьях-физиках, занимающихся наукой во время войны, она сыграла погибшую на фронте девушку Люсю. Память о бывшей возлюбленной навсегда осталась в сердце главного героя Артёма, которого в фильме сыграл Армен Джигарханян. Картина вошла в программу Каннского кинофестиваля. В интервью Наталья Фатеева вспоминала, что прежде её киногероини были лишь фоном для главных мужских ролей, а вот Люся, напротив, отличалась яркой индивидуальностью: «Люся — человек большой и значительный сам по себе. Чувства, которые она испытывает, — отнюдь не суррогаты страстей, а живые человеческие переживания, боль, радости», — делилась Наталья Фатеева.
Первым супругом красавицы-актрисы стал её однокурсник по Харьковскому театральному институту Леонид Тарабаринов, будущий народный артист СССР. Студенческий брак продлился всего год — они развелись, когда Наталью отчислили из института. Фатеева уехала в Москву, а бывший муж остался в Харькове — причём на всю жизнь. Здесь он играл на сцене драматического театра, преподавал в Институте искусств имени Котляревского, и здесь же скончался в 2008 году.
Во второй раз Наталья Фатеева вышла замуж за актёра и режиссёра Владимира Басова. Ради очаровательной молодой актрисы Басов бросил свою первую жену Розу Макагонову. В браке Фатеева родила сына Владимира, который впоследствии стал кинорежиссёром. Несмотря на то, что Наталья искренне восхищалась талантливым мужем, их союз не продержался и трёх лет. По воспоминаниям актрисы, Басов очень ревновал её к другим мужчинам и нервно реагировал на «первые робкие успехи в кино», как выражалась сама Фатеева.
В середине 60-х Наталья Фатеева вышла замуж за лётчика-космонавта Бориса Егорова. Они прожили вместе пять лет, стали родителями дочери Наташи. Однако роковую роль в этих отношениях сыграла ещё одна актриса Наталья Кустинская — космонавт без памяти влюбился в красавицу-блондинку, с которой Фатеева поддерживала приятельские отношения ещё со съёмок фильма «Три плюс два». Решение он принял быстро — развёлся с Фатеевой и сразу женился на Кустинской. Впоследствии Наталья Фатеева называла эти события расплатой за то, что в своё время таким же образом разрушила брак Владимира Басова.
Следующим избранником актрисы стал архитектор Виктор Теслер, а в пятый раз она вышла замуж за некоего меховщика, чьё имя предпочла скрывать от публики. Однако ни один из браков Натальи Фатеевой не продлился больше пяти лет — в шутку сама актриса называла все свои отношения «советскими пятилетками». От замужества она откровенно уставала и была даже рада, когда дело заканчивалось разводом: «Хорошо, что я вовремя избавлялась от своих супругов. Я и жить-то начинала, когда они уезжали в командировку. Думала: какое счастье, хоть отдохну!» — делилась в интервью актриса.
Не сложились отношения кинодивы и с собственными детьми. Детство сына Владимира и дочери Натальи проходило по похожей схеме — сначала они воспитывались у бабушки и дедушки в Харькове, а затем учились в школе-интернате, где занятая на гастролях мама их практически не навещала. Владимир ещё десятиклассником мог стать отцом, однако Наталья Фатеева немедленно отправила его избранницу на аборт. К счастью, молодые влюблённые смогли сохранить отношения — поженились, стали родителями сына Ивана, и счастливы вместе по сей день. В молодости у Владимира Басова были проблемы с алкоголем, но он сумел побороть зависимость и стал успешным кинорежиссёром.
Такая же история случилась и с дочерью Натальи Фатеевой — в 16 лет Наташа-младшая забеременела от студента ВГИКа Максима Коропцова, которого вскоре забрали в армию. Когда об этом узнала знаменитая мать, делать аборт было уже поздно. В результате по требованию актрисы юная Наталья отказалась от ребёнка и сдала его в дом малютки — документы за несовершеннолетнюю дочь подписывала сама Фатеева. К счастью для малыша в дело вмешался брат Владимир — поняв, что с матерью бороться бесполезно, он отыскал отца ребёнка и уговорил его семью взять новорождённого внука Женю к себе. Долгие годы мальчик считал отца своим старшим братом, а повзрослев и узнав правду, ни с матерью, ни со знаменитой бабушкой общаться не захотел. Непризнанный внук Натальи Фатеевой унаследовал творческие гены и стал успешным кинооператором.
Из-за всех этих событий Наталья Фатеева ещё больше отдалилась от собственных детей и на старости лет осталась одна. Преодолев 90-летний рубеж, актриса живёт под присмотром сиделок, с которыми у неё тоже возникают конфликты — недавно Фатеева уличила домработницу в краже денег с её банковской карты.
Несколько лет назад звезда экрана перенесла сразу шесть операций, одна из которых прошла неудачно — актрисе занесли инфекцию и у неё возникли проблемы с коленным суставом. После этого Наталья Фатеева объявила о прекращении актёрской карьеры, хотя и так давно не снималась — последний фильм с её участием «Летящие по ветру листья», где она сыграла учётчицу в лагере, вышел на экраны в 2013 году. Сегодня актриса-долгожительница передвигается на костылях, однако старается не падать духом и не жалуется на судьбу: «Я отношусь к себе без восхищения и смотрю на себя как на обычного человека. Хорошо, чтобы впереди были ещё годы, которые отпущены мне. Чтобы они были здоровыми», — делится Наталья Фатеева.