Родилась 22 июня 1947 года в городе Констанца (Румыния) в семье капитана дальнего плавания.
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.
Заслуженная артистка РСФСР (1989).
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 компактдиска с её песнями, два сборника стихов. Занималась дубляжом и озвучанием 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".
призы и награды
Награждена орденом Дружбы (Указ Президента РФ № 957 от 30.07.2010).
роли в кино
2006 Волкодав из рода Серых Псов :: Мать Кендарат
2006 1-й Скорый :: Нина
2005 Оскар (фильм-спектакль) :: Шарлотта
2005 12 месяцев (Беларусь) :: Воспитательница
1997 Старые песни о главном - 2 :: Нина
1994 Волшебник Изумрудного города :: Бастинда и Гингема
1993 Маленькие человечки Большевистского переулка, или Хочу пива :: Вера
1992 Чужая игра :: мать
1986 Посторонним вход разрешен | Cizím vstup povolen (СССР, Чехословакия) :: Королёва
1986 Опасный приз (короткометражный) :: Любовь Ивановна
1984 Огненные дороги | Оловли йўллар :: Мария Кузнецова
1984 Нам не дано предугадать... :: Жена Нестерова
1984 Гостья из будущего :: Марта Эрастовна
1983 Талисман :: мама Дюка
1983 Набат :: "Таня", "Татьяна Коробейникова" / Ирина Радчук
1983 Вера (фильм-спектакль) :: Аля :: главная роль
1982 Не хочу быть взрослым :: Катя :: главная роль
1982 Не ждали, не гадали! :: жена профессора
1981 Старые письма :: Нюра и Лиза :: главная роль
1981 Переходный возраст :: Изольда :: главная роль
1981 Единственный мужчина :: Вика Микулина :: главная роль
1980 Мой папа - идеалист :: Алёна
1980 Клоун :: Тая :: главная роль
1979 Так и будет :: Ольга Фёдоровна :: главная роль
1979 Повесть об одной любви (фильм-спектакль) :: Катя Кротова :: главная роль
1979 Ливень :: Нази :: главная роль
1979 Выбор (короткометражный)
1978 Сегодня или никогда :: Таня :: главная роль
1978 Ошибки юности :: Зина
1977 Эти невероятные музыканты (фильм-спектакль) :: камео
1976 Топаз
1976 Топаз (фильм-спектакль) :: Сюзи Куртуа :: главная роль
1975 Соло для слона с оркестром | Circus in the circus | Cirkus v cirkuse :: Таня Иванова
1975 Весна двадцать девятого :: Элла Михайловна
1974 Три дня в Москве :: Оля Потапова :: главная роль
1974 Большой аттракцион :: Даша Калашникова :: главная роль
1973 Мегрэ и человек на скамейке (фильм-спектакль) :: Моник Туре
1973 Дмитрий Кантемир :: Родика
1971 Чёрные сухари | Schwarzer Zwieback (СССР, ГДР) :: Таня :: главная роль
1971 12 стульев :: Лиза Калачёва
1970 Семь невест ефрейтора Збруева :: Галина Листопад
1970 Бушует "Маргарита" :: Маргарита Озерова :: главная роль
1970 Бег :: девочка с козой
1969 Золото :: Муся Волкова :: главная роль
1967 Вий :: Панночка, дочь сотника :: главная роль
1966 Формула радуги :: медсестра
1966 Кавказская пленница, или Новые приключения Шурика :: Нина :: главная роль
озвучивание
1993 Месть пророка (Таджикистан, Сирия) :: Виктория
1993 Аляска Кид | Alaska Kid | Złoto Alaski (ФРГ, Россия, Польша)
1992 На Дерибасовской хорошая погода, или На Брайтон-Бич опять идут дожди :: Мэри Стар (Мак-Грил Келли)
1992 На Дерибасовской хорошая погода, или На Брайтон-Бич опять идут дожди :: aгент Мэри Стар
роль Келли Макгрилл
1992 Доброй ночи! :: Ольга
1992 В поисках золотого фаллоса :: закадровый перевод
1988 Студентка | Étudiante, L' (Франция) :: Валентина
1987 Дикая роза | Rosa salvaje (Мексика) :: Роза (Вероника Кастро)
1986 Океан | Samundar (Индия)
1985 Миранда | Miranda (Италия) :: все женские роли
1985 Мальчик-с-пальчик1984 В компании волков | Company of Wolves, The (Великобритания, США) :: все женские роли
закадровое озвучание
1983 Этот грустный весёлый цирк | Circus Performers | Saltimbancii (Румыния, СССР)
участие в фильмах
2012 Евгений Моргунов. Невыносимый балагур (документальный)
2010 Нонна Мордюкова. Такой её никто не знал (документальный)
2010 Нонна и Слава. Жестокий роман (документальный)
2009 Бриллиантовая ручка короля комедии. Яков Костюковский (документальный)
2008 Человек в кадре (документальный)
2008 Неизвестная версия | Невідома версія (Украина, документальный)
2008 Наталья Гундарева. Наша Наташа (документальный)
2007 Нонна Мордюкова. Неукротимая (документальный)
2006 Эммануил Виторган и Алла Балтер. По обе стороны жизни (документальный)
2005 Рождение легенды (документальный)
2004 Пёстрая лента (документальный)
2000 Чтобы помнили... (документальный)
