Наталья Варлей родилась 22 июня 1947 года в румынском городе Констанца.
Детство Варлей прошло в Мурманске. Отец Натальи Варлей, Владимир Викторович героически воевал, был капитаном дальнего плавания, в течение двух лет он был председателем горисполкома. Фамилия Варлей — валахская. Мать — Ариадна Сергеевна Сенявина, внучка потомственного горного инженера Е. Н. Барбота де Марни, потомка выходцев из Франции. Младшая сестра — Ирина Варлей, непрофессиональная актриса.
В четырехлетнем возрасте начала писать стихи, затем училась в музыкальной школе, рисовала. Училась в школе № 8. Много читала. В то же время она была очень болезненным ребенком: у нее обнаружили ревмокардит и запретили заниматься в школе физкультурой.
В конце 50-х годов семья Варлей поселилась в Москве.
В один из дней мать повела Наташу в цирк. В кассе Наталья увидела объявление о наборе детей 11—13 лет в детскую цирковую студию. На следующий день, тайком от родителей, девочка пришла по указанному адресу. Педагоги студии сочли возможным принять ее к себе. Окончила акробатическое отделение Государственного училища циркового и эстрадного искусства (1965) и пришла в труппу Московского цирка на Цветном бульваре. Работала эквилибристкой.
Одно время выступала в одном номере со знаменитым клоуном Л. Г. Енгибаровым. Именно благодаря Енгибарову Наталья попала в кино. Одним из его приятелей был режиссер Одесской киностудии Г. Э. Юнгвальд-Хилькевич. В один из дней 1966 года он пришел на очередное представление в цирк на Цветном бульваре и увидел там Наталью. Она настолько понравилась режиссеру, что он тут же предложил ей сняться в своём новом фильме "Формула радуги". Наталья Варлей согласилась, и ей досталась маленькая роль медсестры.
Всесоюзную известность Варлей получила уже после следующего своего фильма "Кавказская пленница, или Новые приключения Шурика" (1966), в котором ей досталась заглавная женская роль "спортсменки, комсомолки и просто красавицы" Нины. Жена режиссёра Леонида Гайдая рассказывала, что на роль Нины Леонид Иович перепробовал огромное количество актрис, включая первых красавиц, но остановился на Наталье Варлей из-за её необычайного обаяния и юношеской непосредственности. Фильм имел большой успех, и Варлей мгновенно приобрела невероятную популярность.
До 1967 года работала эквилибристкой Московского государственного цирка. В 1971 году Наталья Варлей окончила Театральное училище имени Б. В. Щукина. В 1971—1978 гг. была актрисой МДТ имени К. С. Станиславского.
В 1967 году вышла замуж за известного актера Николая Бурляева. Этому браку противились актер Леонид Филатов и его друзья актер Владимир Качан и сатирик Михаил Задорнов, но безуспешно. В 1971 году Наталья вышла замуж за Владимира Тихонова, сына актера Вячеслава Тихонова и актрисы Нонны Мордюковой. 26 января 1972 года родила первого сына Василия.
В 1980-х годах поступила в Литературный институт имени А. М. Горького. Учась на втором курсе 13 сентября 1985 года родила второго сына Александра. В 1995 году старший сын Василий подарил актрисе внука Евгения.
В 1992 году записала грампластинку "На высшей точке единения", где исполняла песни на собственные стихи и музыку Николая Шершня.
В 1999 году вместе с другими известными артистами приняла участие в проекте В. И. Мережко и композитора Евгения Бедненко "Поют звезды театра и кино", где с успехом выступила как исполнительница собственных песен. Итогом проекта стали концерты и музыкальный диск, выпущенный в США и продублированный "Радио МПС". В 2003 году приняла участие в постановке частного театра "Империя Звезд", в спектакле "Оскар". Руководитель Мастерской Театрального Факультета МИТРО.
В 2009 году принимала участие в проекте Первого Канала "Две звезды" в паре с Н. В. Гнатюком.