Наталья Варлей родилась в городе Констанца в Румынии в семье капитана дальнего плавания. Детство Натальи прошло уже в Мурманске, а позднее, семья перебралась и в Москву.
Однажды, мама взяла Наташу на цирковое представление. У кассы девочка увидела объявление о наборе в студию циркового искусства и, вскоре, тайно от родителей, поступила туда учиться.
В 1965 году она окончила уже Училище циркового и эстрадного искусства и начала работать в цирке на Цветном бульваре. Именно там партнер по номеру, знаменитый клоун Леонид Енгибаров, познакомил ее с режиссером Юнгвальд-Хилькевичем, а тот пригласил молодую артистку в фильм «Формула радуги». Так Варлей и попала в чудесный мир кино.
Работа в кино сразу принесла ей большой успех. После съемок в «Формуле радуги» Наталью заметил Гайдай и позвал на пробы «Кавказской пленницы». Из почти пятисот актрис, режиссер выбрал именно ее, 19-летнюю выпускницу циркового училища. Гайдай не прогадал: героиню Варлей, «студентку и комсомолку» Нину полюбила вся страна.
Поклонники забрасывали актрису письмами, пытались встретить на улице, признавались в любви. У нее же была своя личная жизнь, совсем непростая.
В 1967 году она вышла замуж за режиссера Леонида Бурляева. Брак их продлился недолго, супруги вскоре расстались.
Увидев Варлей в «Кавказской пленнице», в нее влюбился Владимир Тихонов – сын Нонны Мордюковой и Вячеслава Тихонова. Наталья ответила взаимностью, и молодые люди поженились. Сразу после свадьбы, по словам актрисы, муж начал страшно ревновать ее ко всем подряд. Он верил сплетникам, постоянно подозревал жену в неверности, выяснял отношения. А вскоре еще и пристрастился к алкоголю. Тем не менее, у супругов родился сын Василий.
После его рождения Наталья приняла решение развестись с мужем и стала воспитывать сына одна. Не имея возможности оставить мальчика родственникам, и вынужденная зарабатывать, Варлей возила ребенка с собой на съемки. Актриса полностью погрузилась в работу и воспитание сына, и даже не могла представить появление еще одного мужчины в своей жизни.
Когда мальчик подрос, Наталья, с детства писавшая стихи, решила осуществить свою мечту и поступила в Литературный институт имени Горького. Учась на 2-м курсе, актриса родила еще одного сына – Александра. До сих пор она хранит в тайне имя его отца.
Старший сын Василий окончил Институт современных искусств. В 1995 году у него он с женой подарил Варлей первого внука – Женю. Младший сын Александр сейчас учится на факультете журналистики. Актриса, которая не жалует журналистов, шутит: «Если твои телесюжеты будут похожи на те, что заполонили эфир, берегись: я тебя породила, я тебя и убью!»
Сегодня Наталья Варлей редко снимается в кино, но много работает в театре и занимается дублированием фильмов и сериалов. Она пишет стихи, выпускает свои сборники.
Недавно актриса снова вышла замуж. Будучи глубоко верующим человеком, она обвенчалась со своим молодым мужем. О своем семейном счастье она старается поменьше говорить на публике, предпочитая, чтобы поклонники больше внимания уделяли ее творчеству.