Наталья Михайловна Водянова родилась 28 февраля 1982 года в Горьком (ныне Нижний Новгород) в семье Ларисы Викторовны Громовой и Михаила Водянова.
С 16 лет была зачислена в модельное агентство Евгении Чкаловой "Евгения" (Нижний Новгород), где ей порекомендовали выучить английский язык. На одном из просмотров Наталью заметил скаут агентства Viva Model Management и сразу предложил Наталье работу в Париже. По прошествии нескольких месяцев девушка отправилась в столицу Франции.
Работала на подиуме для Gucci, Chanel, Alexander McQueen, Christian Dior, Calvin Klein, Donna Karan, Louis Vuitton, Marc Jacobs, Ralph Lauren, Chloe, Valentino, Givenchy, Jean-Paul Gaultier, Miu Miu, Hermès, Kenzo, Viktor & Rolf, Dolce&Gabbana, Balenciaga, Yves Saint Laurent и многих других домов моды.
Появлялась на многочисленных обложках самых известных журналов моды, включая Vogue, Harper's Bazaar, Marie Claire, ELLE.
Являлась "лицом" косметической марки L’Oreal Paris, также принимала участие в рекламных кампаниях таких брендов, как Louis Vuitton, David Yurman, Marc Jacobs, Miss Sixty, Pepe Jeans, Diane von Fürstenberg, Chanel, Gucci, Guerlain.
Снималась для календаря Pirelli.
Доминирование российских манекенщиц на мировых подиумах с начала 2000-х годов было названо "эпохой трёх V" — по начальным буквам фамилий самых успешных и востребованных — Наталии Водяновой, Анны Вьялицыной и Евгении Володиной.
В 2003 году стала официальным "лицом и телом" компании Calvin Klein.
По данным Sunday Times, Наталья Водянова входит в третью сотню самых богатых людей Великобритании (в 2003 году она заработала 3,6 млн фунтов стерлингов).
В 2007 году, после рождения сына Виктора, решила частично оставить карьеру модели и посвятить себя семье и благотворительному фонду. Наталья, как и некоторые мировые экс-супермодели, всё же соглашается выйти на подиум или принять участие в фотосессии за высокие гонорары.
В 2009 году утверждена на место соведущей полуфинала песенного конкурса Евровидение, проходившего в Москве, в паре с Андреем Малаховым.