Родилась 25 января 1924 г. в Москве в семье военного.
В школьные годы посещала занятия в драматическом кружке.
В 1941 г. вместе с матерью была эвакуирована в Новосибирск. Работала в военном госпитале, затем - дружинницей в санитарном поезде.
В 1946 г. Надежда Каратаева окончила Государственный институт театрального искусства им. А. В. Луначарского (ныне - Российский институт театрального искусства - ГИТИС). Выпускница актерской мастерской Марии и Василия Орловых.
В 1946-1948 гг. - актриса Клайпедского русского драматического театра (Литовская ССР).
С 1950 г. по середину 2010-х гг. Надежда Каратаева являлась актрисой Московского академического театра сатиры. Была задействована в спектаклях: "Малыш и Карлсон, который живет на крыше" по повести Астрид Линдгрен, "Не ваше дело" по произведению Владимира Полякова, "Квадратура круга" по пьесе Валентина Катаева, "Ревизор" по комедии Николая Гоголя, "Безумный день, или Женитьба Фигаро" по пьесе Бомарше, "Старая дева" по комедии Исидора Штока, "Гнездо глухаря" по пьесе Виктора Розова и др.
Надежда Каратаева также получила известность как киноактриса. Исполняла роли в фильмах: "Личное счастье" (1977, режиссер Леонид Пчелкин), "Время собирать камни" (2005, Алексей Карелин), "А вы ему кто?" (2006, Игорь Штернберг), сериалах "Спальный район" (2009-2010, Дмитрий Петрунь и др.), "Сделано в СССР" (2011, Вадим Островский) и др.
Скончалась 10 октября 2019 г. в Москве на 96-м году жизни. Похоронена на Новодевичьем кладбище.
Заслуженная артистка РСФСР (1981).
Была замужем за народным артистом СССР Анатолием Папановым (1922-1987). Дочь - Елена Папанова (род. 1954, актриса театра и кино).