Родилась 22 июня 1947 года в городе Констанца (Румыния) в семье капитана дальнего плавания.

Заслуженная артистка РСФСР (17.04.1989).

Окончила акробатическое отделение Государственного училища циркового и эстрадного искусства (1965), Московское театральное училище имени Б.В. Щукина (1971).
До 1967 года — эквилибристка Московского государственного цирка.
В 1971-1981 годах — актриса Московского драматического театра имени К.С. Станиславского.

Первым мужем Натальи Варлей стал актёр и режиссёр Николай Бурляев, они поженились в 1967 году, но уже через несколько лет развелись.
Второй раз Наталья вышла замуж сразу после окончания училища, летом 1971 года. На это раз её избранником стал также актёр, однокурсник по театральному училищу Владимир Тихонов (1950-1990), сын Нонны Мордюковой и Вячеслава Тихонова. В 1972 году у молодых супругов родился сын Василий. Однако вскоре звёздная пара рассталась.
В начале 1980-х годов Наталья Варлей поступила в Литературный институт (из-за этого даже покинула театральную сцену). 13 сентября 1985 года, когда училась на втором курсе, родила второго ребёнка, которого назвала Александром.

Некоторое время работала в театре "О'кей". Вышли 3 компакт-диска с её песнями, два сборника стихов.

Мастер дубляжа и озвучивания иностранных фильмов и телесериалов.

Вела передачу «Домашние хлопоты» на телеканале РТР. Весной 2009 года в дуэте с Николаем Гнатюком приняла участие в телепроекте «Две звезды». С 31 марта 2014 года одна из ведущих ток-шоу «Дело ваше...» на Первом канале.

Государственная премия РСФСР имени Н.К. Крупской (1984) — за исполнение роли мамы Кати в фильме «Не хочу быть взрослым» (1982).
Орден Дружбы (30.07.2010).