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 занималась в детской цирковой студии, в 1965 году окончила акробатическое отделение Государственного училища циркового и эстрадного искусства и пришла в труппу Московского цирка на Цветном бульваре эквилибристкой.
В кино Наталья Варлей попала совершено случайно, ее актерский дебют состоялся в маленькой роли медсестры в фильме «Формула радуги». Но уже следующая картина — «Кавказская пленница, или Новые приключения Шурика» принесла Варлей всесоюзную известность.
До 1967 года она работала эквилибристкой Московского государственного цирка. В 1971 году, окончив Театральное училище имени Б.В. Щукина, становится актрисой Московского драматического театра им. К.С. Станиславского (до 1978 года).
Фильмография Натальи Варлей насчитывает более 40 картин, критики особенного отметили такие роли, как: Панночка в «Вие», Родика в «Дмитрие Кантемире». Амплуа комедийной актрисы не помешало ей создавать сложные и неоднозначные образы. В последние годы она почти не снимается в кино, одни из последних ее киноработ — роли в фильмах: «Первый скорый» (2006), «Волкодав из рода Серых Псов» (2006) и «Тётя Люси» (2021).
Она выпустила несколько песенных альбомов и сборников стихов, а еще занимается дубляжом фильмов, участвует в различных телепроектах.
Заслуженная артистка РСФСР, лауреат Государственной премии РСФСР им. Н.К. Крупской — Наталья Варлей награждена орденами Дружбы и Почёта. Живет и работает в Москве.
