Наталья Николаевна Белохвостикова родилась 28 июля 1951 года в Москве. Когда ей был год, родители переехали в Лондон, где отец Натальи работал в советском посольстве. Девочка выучила английский язык и говорила на нём так же хорошо, как и на русском.
Когда ей было 5 лет, родители отправили Наташу в Москву к бабушке. Там девочка вскоре пошла в школу. Она много читала и мечтала стать актрисой. В 1965 году Белохвостикова попала в массовку фильма Марка Донского «Сердце матери». Это стало дебютом Натальи в кино.
В 1968 году она поступает во ВГИК в актерскую мастерскую Сергея Герасимова и Тамары Макаровой. Ещё будучи студенткой, она сыграла в картине своего педагога Герасимова «У озера». За роль Лены Барминой Белохвостикова была удостоена Государственной премии СССР, став самым молодым её лауреатом.
После окончания ВГИКа в 1971 году Наталья становится актрисой Театра-студии киноактера. Она снималась в таких известных фильмах как «Красное и черное», «Маленькие трагедии», «Легенда о Тиле», «Тегеран-43», «Береге», «Десять лет без права переписки». Роль в фильме «Тегеран-43» принёс актрисе всесоюзную славу.
В 1984 году Наталье Белохвостиковой было присвоено звание Народной артистки РСФСР.
Белохвостикова вышла замуж за кинорежиссёра Владимира Наумова, с которым познакомилась на фестивале в Югославии. В 1977 году у них родилась дочь Наташа.
Белохвостикова продолжает работать в кино и на телевидении. После 2000 года актриса снялась в фильмах «Часы без стрелок»(2001), «Год лошади: созвездие скорпиона»(2004), «Джоконда на асфальте»(2007).