Наталья Владимировна Варлей родилась в городе Констанца (Румыния) 22 июня 1947 года. Ее детство прошло в Мурманске, где служил капитаном дальнего плавания ее отец, Владимир Викторович. Наталья росла талантливым ребенком с разносторонними увлечениями, но болезненным — у неё обнаружился ревмокардит.
В конце 1950-х годов семья Варлей поселилась в Москве. Наташа занимается в детской цирковой студии, в 1965 году оканчивает акробатическое отделение Государственного училища циркового и эстрадного искусства и приходит в труппу Московского цирка на Цветном бульваре эквилибристкой.
В кино Наталья Варлей попадает совершено случайно, ее актерский дебют состоялся в маленькой роли медсестры в фильме «Формула радуги». Но уже следующая картина — «Кавказская пленница, или Новые приключения Шурика» приносит Варлей всесоюзную известность.
До 1967 года она работает эквилибристкой Московского государственного цирка. В 1971 году, окончив Театральное училище имени Б. В. Щукина, становится актрисой Московского драматического театра им. К. С. Станиславского.
Фильмография Натальи Варлей насчитывает 33 художественных картины, критики особенного отметили такие роли, как Панночка в «Вие», Родика в «Дмитрие Кантемире». Амплуа комедийной актрисы не помешало ей создавать сложные и неоднозначные образы.
Последние годы Наталья Варлей оставила работу в кино — последним ее фильмом в 2006 году стал «Волкодав из рода Серых Псов». Она выпустила два песенных альбома, два сборника стихов. Наталья занимается дубляжом, ведет передачу «Домашние хлопоты» на РТР.