Наталья Николаевна Фатеева родилась 23 декабря 1934 года в Харькове (Украина) в семье военного. С ранних лет она мечтала о карьере актрисы. Все свободное время Наташа проводила в оперном театре, не раз пересмотрев все спектакли. Родители, видя склонность дочери к музыке, отдали ее в музыкальную школу. В 1952 году Наталья поступила в Харьковский театральный институт, но не закончила его.
Дебют Фатеевой в кино состоялся в 1956 году. Она сыграла роль в картине Ивченко «Есть такой парень» и была замечена режиссерами. Среди них был Сергей Герасимов, который взял молодую актрису во ВГИК в свою мастерскую. Причем зачислили ее сразу на 4-й курс, чего не случалось за всю историю института.
В период учебы Фатеева снялась в фильмах «Капитан "Старой черепахи"», «Дело "пестрых"», «Случай на шахте восемь», а по окончании ВГИКа в 1958 году проработала год в Театре-студии киноактера, после чего ее пригласили в Театр имени Ермоловой. Там она сыграла главные роли в спектаклях «Два упрямца» Н.Хикмета и «Три товарища» Э.Ремарка.
1960-е годы были для актерской судьбы Фатеевой весьма успешными. Именно тогда она добилась огромной популярности и зрительских симпатий. Все началось с картины «Битва в пути» (1961), которая получилась актуальной и политически важной. В этом же году актриса сыграла главную роль в фильме Ивана Пырьева «Наш общий друг». Визитной карточной Фатеевой на долгие годы стала картина Довлатяна «Здравствуй, это я» (1965).
Предложения от режиссеров полились рекой, и Наталья ушла из театра, полностью посвятив себя кино. Но вскоре актриса вновь вернулась в Театр-студию киноактера, где впоследствии проработала много лет.
В 1963 году на экраны вышла комедия «Три + два», имевшая оглушительный успех. После этой картины Фатеева много снималась в комедийных и музыкальных лентах: «Песни моря» (1970), «Джентльмены удачи» (1971), «Табачный капитан» (1972), «Человек с бульвара Капуцинов» (1987), «Осенние соблазны» (1993) и др.
С годами проявилась еще одна грань таланта актрисы – ее многоплановость. Все фильмы, в которых она играла, разные по проблематике, жанрам, но везде Фатеева органично вписывается в роль. Она хорошо чувствует себя и в драме, и в детективе, и в мелодраме, создавая образы цельных и сильных натур, бескомпромиссно отстаивающих свои убеждения.
В 1970-1980-е годы творческая биография Фатеевой пополнилась новыми ролями. Из наиболее запомнившихся фильмов того периода: «Летние сны», «Розыгрыш», «Место встречи изменить нельзя», «С.П.Королев», «С вечера до полудня» и др. Она работала с самыми разными режиссерами – Э.Лотяну, Р.Хандамовым, Ю.Кару, К.Худяковым и др. Одна из последних работ актрисы – роль в историческом сериале С.Дружининой «Тайны дворцовых переворотов».
Много и успешно Наталья Николаевна занималась дубляжом иностранных картин. Ее голосом говорили Софи Лорен, Лео Массари, Беата Тышкевич, Невена Коканова, Барбара Брыльска и многие другие.
Сегодня Народная артистка РСФСР, кавалер ордена Почета, Наталья Николаевна Фатеева живет и работает в Москве, она активный общественный деятель.