Наталья Варлей появилась на свет в румынском городе Констанца в семье офицера военно-морского флота Владимира Варлей. Необычная фамилия досталась девочке от предков по отцовской линии — два брата из Уэльса приобрели в царской России конный завод, женились на русских девушках и уже не вернулись на родину. Со стороны матери корни родословной уходили во Францию — Ариадна Сенявина была правнучкой знаменитого горного инженера Барбота де Марни. Детство будущей актрисы прошло в Мурманске, где служил её отец, а в конце 50-х семья перебралась в Москву...

Наталья Варлей предпочитает вести закрытый образ жизни и редко появляется на телевидении или на светских мероприятиях. Актриса серьезно подходит к выбору ролей в кино и сериалах. Последние проекты, в которых она снималась, – сериалы «Не дождетесь» и «Вслух» 2022 года, а также мини-сериал «Ваша тетя Люси» 2021-го. «Есть артисты, которым неважно, где именно они снимаются, главное – появляться на экране. У меня другая позиция. Пусть лучше вспоминают "Кавказскую пленницу", чем говорят: "Ой, зачем она снялась в этом фильме?"» – говорила Варлей «АиФу»...