Наталья Владимировна Варлей родилась в 1947 году 22 июня в Румынии в городе Констанца. Советская и российская актриса театра и кино. 
Ее отцом был Владимир Викторович Варлей, который героически проявил себя в военное время.
Также он являлся капитаном дальнего плавания, после завершения этого периода своей жизни стал председателем горисполкома. Мать Натальи Владимировны, Ариадна Сергеевна, являлась внучкой горного инженера Евгения Барбота де Марни, который был потомком выходцев из Франции.
Свое детство будущая актриса провела в Мурманске. У нее есть младшая сестра, которая занимается непрофессионально актерской деятельностью.
Наталья Варлей начала сочинять стихи в 4 года. Родители отдали ее на обучение в музыкальную школу. Девочка также хорошо рисовала и много читала. Однако ее здоровье оказалось слабым. Врачи поставили Наталье Варлей диагноз ревмокардит и дали освобождение от школьной физкультуры.
Когда будущая артистка вступила в подростковый возраст, семья переехала в Москву, где Наталья увидела во время посещения цирка объявление о том, что набираются дети 11-13 лет в цирковую студию. Прямо на следующее утро девочка прибежала туда, ничего не сказав родителям. Наталью приняли в студию. За плечами Натальи Варлей акробатическое отделение Государственного училища циркового и эстрадного искусства. Позже она работала эквилибристкой в труппе Московского цирка на Цветном бульваре.
Благодаря клоуну Л. Енгибарову, совместно с которым она выступала, Наталью взяли сниматься в кино. Приятелем клоуна был Г. Юнгвальд-Хилькевич, работавший на Одесской киностудии режиссером. В 1966 году на одном из цирковых представлений он заметил Наталью Варлей и предложил ей роль медсестры в фильме «Формула радуги». Девушка согласилась на эту небольшую роль.
Большую же известность принес Варлей фильм Леонида Гайдая «Кавказская пленница, или Новые приключения Шурика». В нем Наталья сыграла уже главную героиню, которая была не только красавицей, но и «активисткой и спортсменкой». Перед тем, как режиссер нашел Наталью, он перепробовал множество актрис, которые были первыми красавицами кинематографа, но именно Варлей очаровала его своей непосредственностью и обаянием. Выбор оказался удачным: фильм, а вместе с ним и главную героиню, ожидал большой успех среди зрителей.
Наталья Владимировна проработала в цирке до 1967 года, а в 1971 закончила Театральное училище им. Щукина и стала на 7 лет актрисой МДТ им. Станиславского.
В 1971 году Наталья стала женой Владимира Тихонова, сына знаменитых актеров Вячеслава Тихонова и Нонны Мордюковой. Первый сын Василий родился у пары 26 января 1972 года, а 13 сентября 1985 года – на свет появился и второй сын Александр.
В 1995 году у Василия родился сын Евгений.
Занимаясь семейной жизнью, Наталья Варлей не забывала и о саморазвитии. Так, в 80-х годах она стала студенткой Литературного института им. Горького.
В 1999 году она стала участницей проекта «Поют звезды театра и кино», который организовали В. Мережко и Е. Бедненко. На нем Варлей исполнила собственные песни, которые впоследствии были записаны на диск, вышедший в США.
В 1989 году Наталья Варлей стала заслуженной артисткой РСФСР. Также она является лауреатом Госпремии РСФМР им. Н. К. Крупской.