Наталья родилась в г. Горьком в достаточно бедной семье, в которой были еще 2 сестры - Кристина и Оксана, одна из которых являлась инвалидом детства. С самых юных лет Наташа была вынуждена работать, чтобы помочь родителям. Девочки продавали на рынке фрукты, Наташа своими руками двигала тяжелые коробки. Времени на учебу оставалось мало, в школе постоянно были проблемы, и Наташа так и не окончила 9 классов. В 15 лет она ушла из родительского дома и стала жить со своим другом, который участвовал в модельном бизнесе. Именно по его совету она устроилось на работу в модельное агентство под названием Viva Model Management.
В 1999 г. в организацию, где работала Наталья, приехал сотрудник парижского агентства, ищущий перспективных моделей. Он выделил на кастинге юную красавицу и предложил ей работу в Париже. Хотя французское агентство назначило ей в качестве платы за работу лишь 500 франков, Наталье они показались огромной суммой. Через совсем небольшой промежуток времени она добилась такой популярности, что заключила контракт с Calvin Klein. Наталья Водянова выступала на подиуме для таких компаний, как Christian Dior, Alexander McQueen, Gucci, Chanel, Marc Jacobs, Ralph Lauren и других. Также она снималась для календаря Pirelli, о чем мечтали многие модели.
В 2000 году русская красавица познакомилась с будущим супругом – аристократом из Британии Джастином Портманом. Отношения развивались очень быстро, и в 2001 г. мир узнал о рождении сына топ-модели Лукаса. Молодой матери потребовалось всего полтора месяца, чтобы после родов восстановить фигуру и вновь подняться на подиум. В 2002 году в Санкт-Петербурге в зале Петергофа состоялась пышная свадебная церемония. Супруги прожили вместе 9 лет, в 2011 г. было объявлено о разводе. В настоящее время у русской топ-модели трое детей: дочь Нева и сыновья Лукас и Виктор.
Наталья Водянова является одной из наиболее богатых супермоделей мира. В 2006 г. по ее инициативе был создан довольно крупный благотворительный фонд «Обнаженные сердца», занимающийся созданием детских игровых площадок в небольших городах России. Такие площадки были построены в Бийске, Кинегесеппе, Иваново, Екатеринбурге и Тихвине.
Фотомодель также пробовала сниматься в кино. В 2001 г. она сыграла в фильме «Агент стрекоза» в роли Бриджит, а в 2010 г. участвовала в фильме «Битва титанов».