Наталья Варлей родилась 22 июня 1947 года в городе Констанца (Румыния).
После окончания школы поступила в Государственное училище циркового и эстрадного искусства на акробатическое отделение. Окончив обучение в 1965 году, несколько лет проработала эквилибристкой в Московском государственном цирке, после чего поступила в Щукинское театральное училище. По окончанию училища в 1971 году, была приглашена в труппу Драматического театра им. К. Станиславского в котором и проработала последующие семь лет своей жизни, исполнив множество разноплановых ролей.
Кинематографический дебют актрисы состоялся в 1966 году в картине «Формула радуги» (1966), оставшейся незамеченной широкими зрительскими массами. Всесоюзную известность Наталья Варлей получила еще до окончания 1966 года, благодаря роли «красавицы, спортсменки и комсомолки Нины» в культовой комедии Леонида Гайдая «Кавказская пленница, или новые приключения Шурика» (1966), главную роль в котором исполнил Александр Демьяненко.
В одночасье став одной из наиболее узнаваемых актрис Советского Союза, недостатка в ролях более не испытывала, сыграв в период с 1966 по 1997 около трех десятков ролей в кино и на телевидении.
В числе наиболее известных фильмов с участием актрисы: «Вий» (1967), «12 стульев» (1971), «Соло для слона с оркестром» (1976), «Гостья из будущего» (сериал) (1985), «Посторонним вход разрешен» (1986), «Старые песни о главном 2» (ТВ) (1997).
В период с 1997 по 2006 не снималась, но и не бездействовала. За это время успела выпустить два музыкальных альбома, несколько сборников стихов и озвучить несколько весьма известных проектов, в числе которых и «мыльная опера» «Дикая Роза», имевшая оглушительный успех на территории постсоветского пространства. Какое-то время вела на телеканале РТР передачу «Домашние хлопоты».
В 2006 году вернулась в мир большого кино с ролью «матери Кендарат» в сказке «Волкодав», центральные роли в которой исполнили Александр Бухаров, Оксана Акиньшина и Александр Домогаров.
Наталья Варлей мать двух сыновей. В ожидании новых интересных ролей живет полной жизнью.