Наталья Владимировна Варлей родилась в городе Констанца (Румыния) 22 июня 1947 года в семье капитана дальнего плавания.

Ее детство прошло в Мурманске. Отец Натальи, Владимир Викторович Варлей (1921-1977), участник Великой Отечественной войны, служил на Северном флоте, работал в Мурманском траловом флоте и в «Севрыбхолодфлоте», а в 1955-1957 годах был председателем Мурманского горисполкома. Мать – Ариадна Сергеевна Сенявина (1927-2008), внучка потомственного горного инженера Е.Н. Барбота де Марни, потомка выходцев из Франции.

Согласно семейному преданию фамилия Варлей – валлийская. Предки Натальи приехали в Россию из Уэльса. В девятнадцатом веке некий фабрикант приехал в Россию, привезя с собой конюшню. В ней были два брата жокея по фамилии Варлей, они остались в России и женились на русских девушках.

Наталья училась в школе № 8 (ныне гимназия № 3) и в музыкальной школе, росла талантливым ребенком с разносторонними увлечениями, но часто болела – у неё обнаружился ревмокардит.

В конце 1950-х годов семья Варлей переехала в Москву. Наташа занималась в детской цирковой студии, в 1965 году окончила акробатическое отделение Государственного училища циркового и эстрадного искусства, с 1965 по 1967 год служила в Московском цирке на Цветном бульваре эквилибристкой.

Некоторое время она выступала в одном номере со знаменитым клоуном Леонидом  Енгибаровым. Именно благодаря ему Наталья попала в кино. Одним из приятелей Енгибарова был режиссёр Одесской киностудии Г.Э. Юнгвальд-Хилькевич. Как-то он пришёл на очередное представление в цирк на Цветном бульваре и увидел там Наталью, которая настолько понравилась режиссёру, что тот тут же предложил ей сняться в своём новом фильме «Формула радуги». Наталья Варлей согласилась, и ей досталась маленькая роль медсестры.

По окончании Московского театрального училища (ныне институт) в 1971 году актрису пригласили в труппу Московского драматического театра имени К.С. Станиславского (ныне Электротеатр Станиславский), где она проработала семь лет. За эти годы на сцене театра она сыграла несколько ролей: Таня ("Прощание в июне" Александра Вампилова), Луиза Миллер ("Коварство и любовь" Фридриха Шиллера), Маша ("Живой труп" Льва Толстого), Людка ("Еще не вечер" Андрея Кутерницкого), Жюли ("Мсье де Пурсоньяк" Жана-Батиста Мольера).

Всесоюзную известность Наталья Варлей получила благодаря роли "красавицы, спортсменки и комсомолки Нины" в комедии Леонида Гайдая "Кавказская пленница, или новые приключения Шурика" (1966).

В 1967 году Варлей сыграла роль Панночки в картине Константина Ершова и Георгия Кропачева "Вий". Это был первый фильм ужасов в отечественном кино.

В 1970-1980-е годы актриса много снималась. Среди картин тех лет – «Дмитрий Кантемир», "Семь невест ефрейтора Збруева", «Бег», "12 стульев" (1971), "Большой аттракцион" (1974), "Соло для слона с оркестром" (1976), "Мой папа – идеалист" (1980), "Не хочу быть взрослым" (1982), "Гостья из будущего" (1984).

Заметной работой Варлей в кино в 1990-е годы был фильм "Волшебник Изумрудного города" (1994), где она сыграла сразу двух ведьм: Гингему и Бастинду.

Всего фильмография Натальи Варлей насчитывает более 40 картин.
Последним ее фильмом в 2006 году стал «Волкодав из рода Серых Псов», после чего она перестала сниматься.

С середины 1990-х годов Варлей дублировала иностранные фильмы и сериалы. Всего она озвучила и продублировала около двух тысяч ролей, в том числе роль Вероники Кастро в сериале "Дикая Роза" (1987), который имел большой успех на территории постсоветского пространства. Среди других озвученных ею фильмов – "Коломбо", "Голубая лагуна", "Этот грустный веселый цирк", "Откройте, полиция!", "Мальчик с пальчик", "Океан", "Студентка", "Золотой глаз", "Люди в черном", "Свадебный переполох" и другие.

Актриса работала на телевидении. В 1999 году была ведущей программы "Домашние хлопоты" на РТР, в 2014 году вела программу "Дело ваше" на Первом канале. Весной 2009 года в дуэте с Николаем Гнатюком приняла участие в телепроекте "Две звезды".

Наталья Варлей пишет стихи. Выпустила несколько поэтических сборников, среди которых "Кружась над золотыми куполами", "Во мне такая музыка звучит!", Любовь". В 2018 году выпустила в свет книгу "Канатоходка. Автобиография". Вместе с композитором Николаем Шершенем в 1990-х годы выпустила четыре альбома в жанре авторской песни: "На высшей точке единения", "Не умирай, любовь", "Живая вода", "Не оборвись во мне струна... ".

Первым мужем Натальи был известный режиссёр и актёр Николай Бурляев, они поженились в 1967 году, но уже через несколько лет развелись. Второй раз она вышла замуж за Владимира Тихонова, который был сыном Нонны Мордюковой и Вячеслава Тихонова и её однокурсником. Но дела в семье не ладились, Владимир злоупотреблял алкоголем, на этой почве между супругами постоянно происходили скандалы. В 1971 году они развелись, а в январе 1972 года у них родился сын – Василий. В 1985 году во время обучения в Литинституте у Натальи Варлей родился второй сын – Александр, отец ребенка доподлинно неизвестно. В 1995 году старший сын Василий подарил актрисе внука Евгения.

Наталья Варлей – Заслуженная артистка РСФСР (1989), лауреат Государственной премии РСФСР имени Надежды Крупской (1984). Награждена орденами Дружбы (2010) и Почета (2017).

В 2010 году Наталья Варлей вспоминала о Мурманске:

 «Папа мой был заместителем начальника морского пароходства. Затем его избрали председателем Мурманского горисполкома (в 1955-1957 годах). Пробыл им, как говорят сейчас, два созыва. Когда семья переехала в Мурманск, мы сначала жили год в гостинице, так называемом Доме моряка (по всей видимости, старом ДМО – ИСККРА), потом получили двухкомнатную квартиру. А когда отца избрали председателем горисполкома, нам дали трехкомнатную на улице Челюскинцев с видом на строящийся стадион. Из окна мы наблюдали соревнования Праздника Севера, гонки на оленьих упряжках, демонстрации на День рыбака.

Я училась в школе № 8, а за несколько месяцев до отъезда из Мурманска ходила в 23-ю школу. Самое светлое воспоминание – моя первая учительница Валентина Серафимовна Ненахова. Она была удивительная.

Мурманский климат действовал на меня плохо, я постоянно болела. Особенно в полярную ночь было тяжело. Меня, как маленького щеночка, выгоняли утром в школу, и я страдала до середины дня, пока хотя бы немножко не начинало сереть небо. Несмотря на это, была отличницей и в общеобразовательной, и в музыкальной школе.

В последней у меня тоже был замечательный педагог – Михаил Наумович Гринберг. Несколько лет назад, когда я была на гастролях с театром в Канаде, встретила там его дочь. Я очень благодарна Гринбергу, ведь он был очень терпелив и многое мне дал. Когда играю на своем стареньком рояле, вспоминаю его.

К сожалению, у меня не осталось школьных друзей здесь, в Мурманске. А когда я была в шестом классе, мы вернулись на родину, в Москву. Мурманск с тех пор сильно изменился! Но (побывав в нем много лет спустя) я нашла свои дом, двор и школу».