Родилась 22 июня 1947 г. в гор. Констанца (Румыния) в семье капитана дальнего плавания. Детство провела в Мурманске. После окончания восьмого класса школы, в конце 1950-х гг., вместе с семьей переехала в Москву.
В первой половине 1960-х гг. Наталья Варлей занималась в детской цирковой студии.
В 1965 г. окончила в Москве отделение акробатики Государственного училища циркового и эстрадного искусства (с 1987 г. носит имя М. Н. Румянцева, Карандаша), в 1971 г. - Театральное училище им. Б. В. Щукина (ныне Театральный институт им. Бориса Щукина при Государственном академическом театре им. Евгения Вахтангова), в 1994 г. - Литературный институт им. А. М. Горького.
Работа в цирке
С 1965 по 1967 г. Наталья Варлей была эквилибристкой в составе труппы Московского цирка на Цветном бульваре. Выступала вместе с известным клоуном Леонидом Енгибаровым. На арене цирка артистку в 1966 г. заметил знакомый Енгибарова, режиссер Георгий Юнгвальд-Хилькевич, который предложил ей роль в своей картине.
Работа в кино и театре
В 1966 г. Наталья Варлей дебютировала в кино в фильме Юнгвальда-Хилькевича "Формула радуги". На съемках этой картины присутствовала ассистентка кинорежиссера Леонида Гайдая. Она пригласила Варлей на пробы в его новом фильме.
В 1967 г. на киноэкраны вышел фильм Гайдая "Кавказская пленница, или Новые приключения Шурика", роль студентки Нины в котором принесла Наталье Варлей большую популярность. В том же году она сыграла Панночку в фильме Георгия Кропачева "Вий", поставленном по повести Николая Гоголя. Затем актриса снялась в фильмах "Семь невест ефрейтора Збруева" (1970, режиссер Виталий Мельников) и "Двенадцать стульев" по роману Ильи Ильфа и Евгения Петрова (1971, Леонид Гайдай).
В 1971-1978 гг. Наталья Варлей была актрисой Московского драматического театра им. К. С. Станиславского (ныне Электротеатр "Станиславский"). Играла в постановках "Альберт Эйнштейн" по пьесе Николая Погодина, "Черт" по произведению Ференца Мольнара и "Мсье де Пурсоньяк" по мотивам комедии Мольера.
В 1970-1980-х гг. продолжала сниматься в кино. Среди фильмов с ее участием: "Большой аттракцион" (1974, Виктор Георгиев), "Соло для слона с оркестром" (1975, Олдржих Липский, СССР - Чехословакия), "Мой папа - идеалист" (1980, Владимир Бортко), "Не хочу быть взрослым" (1982, Юрий Чулюкин), мини-сериал "Гостья из будущего" (1984, Павел Арсенов).
Последняя роль к настоящему времени - пенсионерка Людмила Ренье в комедийном мини-сериале Анарио Мамедова "Тетя Люси" (съемки завершились осенью 2021 г.). В общей сложности актриса снялась в более чем 60 фильмах и сериалах.
В 1980-1990-х гг. Наталья Варлей дублировала зарубежные сериалы. В их числе был мексиканский - "Дикая роза" (1987-1988, Эрнесто Арреола и др.), где актриса озвучивала главную героиню в исполнении Вероники Кастро.
Член Союза кинематографистов РФ, Российской академии кинематографических искусств.
Музыкальное творчество
В 1992 г. Наталья Варлей записала музыкальный альбом "На высшей точке единения", в котором исполнила песни на стихи собственного сочинения и музыку Николая Шершня.
Участие в телевизионных проектах
В 1999 г. актриса была ведущей телепрограммы "Домашние хлопоты" (РТР, ныне "Россия-1").
В 2009 г. Наталья Варлей в паре с эстрадным певцом Николаем Гнатюком участвовала в проекте Первого канала "Две звезды".
В 2014 г. была одной из ведущих ток-шоу "Дело ваше" (Первый канал).
Книги
Наталья Варлей выпустила сборники стихотворений "Любовь" (1993), "Кружась над золотыми куполами" (1996) и "Во мне такая музыка звучит" (2010).
В 2018 г. была издана ее автобиография "Канатоходка".
Общественная деятельность
В 1994-1998 гг. Наталья Варлей была активисткой общественного комитета "За нравственное возрождение Отечества", который возглавлял московский священник Александр Шаргунов. В 1996 г. вместе с комитетом поддержала кандидата от КПРФ Геннадия Зюганова на выборах президента РФ. Впоследствии выступала в общественных кампаниях против трансляции по российскому ТВ фильма Мартина Скорсезе "Последнее искушение Христа" и акции Авдея Тер-Оганьяна "Юный безбожник".
Звания, награды
Заслуженная артистка РСФСР (1989).
Наталья Варлей награждена орденами Дружбы (2010) и Почета (2017).
Лауреат Государственной премии РСФСР им. Н. К. Крупской (1984).