Наталия Николаевна Фатеева родилась 23 декабря 1934 года на Украине, в Харькове. Росла в семье военнослужащего и швеи. В семье Фатеевых не было профессиональных артистов и музыкантов, но, тем не менее, отец мог по слуху подобрать любимую мелодию на фортепьяно, а родные тетки пели в церковном хоре. Маленькая Наташа болела сценой, она пересмотрела и выучила наизусть весь репертуар местного оперного театра.
Но родители не одобряли увлечение дочери и считали актерскую профессию довольно зыбкой и ненадежной. Несмотря на их сопротивление, девушка в 1952 году с первого захода поступила в Харьковский театральный институт, а затем во ВГИК, в группу С.Герасимова.
В 1955 году Фатеева дебютировала в кино, сыграв Таню Оленину в картине «Есть такой парень» Виктора Ивченко. В это же время актриса познакомилась с молодым режиссером Владимиром Басовым. В 1957 году она сыграла в его картине «Случай на шахте восемь». Басов стал первым мужем Фатеевой, в их браке родился сын, тоже Владимир Басов, ставший впоследствии актером и режиссером. Брак был недолгим.
В период учебы Наталья снялась в фильмах «Дело «пестрых», «Капитан «Старой черепахи», довольно средних и не принесших ей известности.
По окончании ВГИКа Фатеева работала в Театре-студии киноактера и в Театре имени Ермоловой, где она играла главные роли в спектаклях «Три товарища» и «Два упрямца». В это же время она вышла замуж во второй раз, за космонавта Бориса Егорова, у них родилась дочь.
Всенародная любовь пришла к актрисе в 1963 году, когда на экраны вышла комедия «Три плюс два» Генриха Оганесяна. Наталья Фатеева сыграла укротительницу Зою. Вместе с ней в этой картине играли Наталья Кустинская, Евгений Жариков и Андрей Миронов. Картина имела огромный успех у зрителей.
60-е годы были лучшими для карьеры Фатеевой. Она снялась еще в двух удачных картинах - «Дети Дон Кихота» и «Здравствуй, это я!». Роль Люси в фильме Фрунзе Довлатяна стала визитной карточкой Фатеевой.
Среди других работ актрисы можно назвать фильмы «Джентльмены удачи», «Розыгрыш», «С вечера до полудня», «Место встречи изменить нельзя», «Песни моря», «Табачный капитан», «Летние сны», «Прежде, чем расстаться», «Человек с бульвара Капуцинов», «Осенние соблазны» Владимира Грамматикова.
Взлет актерской карьеры Натальи Фатеевой пришелся на годы расцвета отечественного кино. Эта актриса, благодаря своей красоте, могла претендовать на звание «секс-символа» советского кинематографа, но большинство ее героинь были положительными, цельными и сильными натурами.
Наталья Фатеева много снималась и в телевизионных фильмах - «Убить человека», «Я – Береза», «Тигры на льду», «Эстрадная фантазия», «Судьба барабанщика», «Обычный месяц», «Обретешь в бою», «Встреча на дальнем меридиане».
Актриса успешно дублировала иностранные фильмы, выходящие на наши экраны. Голосом Фатеевой говорили Софи Лорен, Беата Тышкевич, Лео Массари, Невена Коканова и многие другие.
Натальей Фатеевой за полвека работы в кино сыграно более 70 ролей - длинная и красивая творческая судьба, с яркими взлетами и разочарованиями, славой и забвением. Актриса удостоена звания народной артистки Российской Федерации в 1984 году, в 2000 году ее наградили орденом Почета. В 2005 году Фатеева удостоена медали Святого Александра Невского.
Актриса по-прежнему живет в Москве, участвует в общественной жизни, заботится о животных и увлекается спортом.