Наталля нарадзілася ў Румыніі, у горадзе пад назвай Канстанца. Яе бацька быў капітанам далёкага плавання. У выніку аднаго з службовых заданняў бацькі ўся сям'я пераехала жыць у Мурманск, дзе і прайшло дзяцінства будучай актрысы. З ранніх гадоў быў прыкметны талент Наталлі. Яна рана пачала чытаць, складала вершы. Вучылася ў музычнай і мастацкай школе, педагогі якіх не раз адзначалі таленавітую дзяўчынку. Калі Наталлі споўнілася 13, сям'я пераехала ў Маскву, і перад ёй сталі адкрывацца новыя магчымасці праявы свайго таленту. Пакахаўшы цырк, яна адразу ж адгукнулася на аб'яву аб наборы дзяцей у цыркавую студыю. Наташа тут жа пабегла па паказаным адрасе і прайшла кастынг. Менавіта яе захапленне цыркам ў будучыні адкрые для яе дзіўны свет кіно. Скончыўшы вучылішча цыркавога і эстраднага мастацтва, яна пайшла працаваць эквилибристкой ў Маскоўскі цырк на каляровым бульвары. Некаторы час яна выступала ў пары з усімі вядомым клоўнам Леанідам Енгибаровым.
Енгібаров акрамя цыркавых выступленняў так жа здымаўся ў кіно, і, такім чынам, меў шмат сяброў-кіношнікаў. Так, рэжысёр Георгій Юнгвальд-Хількевіч аднойчы прыйшоў паглядзець на выступленне свайго прыяцеля і ўбачыў побач з ім чароўную напарніцу і тут жа вырашыў прапанаваць ёй ролю медсёстры у сваёй новай карціне «Формула вясёлкі». Варлей пагадзілася. З гэтага часу пачалася акцёрская кар'ера Наталлі. Зарэкамендаваўшы сябе з выдатнай боку, на яе звярнулі ўвагу, і ўжо неўзабаве запрасілі на спробы «Каўказскай палонніцы». Яна заваявала сэрца Гайдая, і роля студэнткі-камсамолкі Ніны дасталася менавіта ёй. Поспех карціны быў ашаламляльным. Да Варлей прыйшла ўсесаюзная слава. Тысячы маладых дзяўчынак стараліся быць падобнымі на яе, тысячы маладых хлопцаў улюбляліся ў задорыстую Ніну і пісалі ёй мяшкі лістоў.
Пасля ўдала згулянай ролі, Варлей атрымлівала тысячы запрашэнняў на здымкі. Так, яна знялася ў карцінах «Вій», «Переходный возраст», «Золата», «Сем нявест яфрэйтара Збруева», «Дванаццаць крэслаў», «Мегрэ і чалавек на лаўцы», «Тры дні ў Маскве», «Сола для слана з аркестрам »,« Вясна дваццаць дзевятага »,« Вялікі атракцыён »,« памылкі юнацтва »,« Так і будзе »,« Мой тата ідэаліст »,« Клоун »,« Переходный возраст »,« Адзіны мужчына »,« Не хачу быць дарослым "," ня чакалі, не варажылі »,« Талісман »,« Нам не дадзена прадбачыць »,« Госця з будучыні »,« Староннім уваход дазволены »,« Небяспечны прыз »,« Ваўкадаў ». Акрамя кар'еры ў кіно, Варлей згуляла гераінь ў чатырох спектаклях: «шашні старога казла», «Хачу купіць вашага мужа», «З каханымі не раставайцеся», «Оскар».
Як бачым, кар'ера Наталлі складалася даволі імкліва і паспяхова. На жаль, асабістае жыццё Наталлі Варлей адчувала заломы і перашкоды. Наталля ў сваіх інтэрв'ю не жадала раскрываць усе падрабязнасці сваёй асабістай жыцця, аднак сёе-тое ўсё ж такі стала вядомым. Так, Варлей была замужам тройчы. Яе першым мужам стаў рэжысёр Мікалай Бурляев. Яны замкнуліся ў шлюбе ў 1967 годзе. Гэты шлюб апынуўся нядоўгім і яны рассталіся праз некалькі гадоў. Другі муж Наталлі муж быў сынам Н. Мордюковой і В. Ціханава. Паводле яе слоў, Валодзя - так клікалі яе выбранніка - адразу ж закахаўся ў яе. Аднак пасля вяселля ў 1971 годзе ён пачаў яе жудасна раўнаваць. Акрамя таго, яшчэ да нараджэння сына Васіля, Уладзімір пачаў выпіваць, што не радавала вядомую актрысу. Неўзабаве ён стаў усё часцей і часцей злоўжываць алкаголем, і Варлей прыняла рашэнне развесціся, і засталася адна з маленькім сынам на руках. Наступіў даволі складаны перыяд у яе жыцці. Яна з галавой сышла ў працу і растварылася ў сваім дзіцяці. Яе сэрца разрывалася, паміж маленькім хлопчыкам, пакінутым дома, і тэатрам, гуляючы ў якім яна зарабляла грошы. У яе жыцці доўга яшчэ не было месца для новага мужчыны. За ёй заляцаўся, і нават прапаноўваў руку і сэрца сын міністра абароны Бельгіі - Люсьен Харменгис. Аднак Наталля адпрэчыла яго прапанову. Яна была цалкам паглынутая працай. З трохгадовым сынам, Варлей ездзіла на гастролі і здымалася ў кіно. Да таго ж, яна вырашыла замацаваць свой акцёрскі вопыт, і паступіла вучыцца ў тэатральную вучэльню. Менавіта ў гэты перыяд лёс звёў яе з трэцім мужам - Уладзімірам. Ён падарыў ёй новае каханне, і ўратаваў Наталлю ад знаёмага ёй пачуцці адзіноты. На другім курсе яна нарадзіла дзіця - хлопчыка, якога назвалі Александром.Сын унёс новае дыханне ў жыццё актрысы. Яна прысвяціла сябе хаце і выхаванню дзіцяці. І ў 90-х ужо спыніла здымацца ў кіно. Кар'еру кінаакторкі яна памяняла на працу дублёра серыялаў. Так, напрыклад, яе голасам кажа Вераніка Кастра ў "Дзікім ружы».
У цяперашні час, яна, як і раней агучвае серыялы, здымаецца ў кіно, і нарэшце-такі выканала сваю мару - выдала зборнік сваіх вершаў. Вось такая яна, асабістае жыццё Наталлі Варлей.