Родилась 22 июля 1939 г. в Москве.
Урожденная - Светлова. Ее отец, Дмитрий Великородный, пропал без вести на фронте в 1941 г. Мать, Екатерина Светлова, выпускница Московского авиационного института, в 1949 г. второй раз вышла замуж за статистика Давида Жака. Дед Наталии Солженицыной по материнской линии, Фердинанд Светлов (Шёнфельд, 1884-1943), был членом партии эсеров-максималистов, в 1919 г. перешел к большевикам. В 1920-1930-х гг. занимал партийные должности, работал в ТАСС, газетах "Экономическая жизнь" и "Известия". В 1938 г. был репрессирован, скончался в заключении.
В 1962 г. Наталия Солженицына окончила механико-математический факультет Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, позднее – его аспирантуру.
В 1960-х гг. работала на мехмате МГУ в лаборатории математической статистики, которой заведовал академик Андрей Колмогоров.
В 1968 г. познакомилась с писателем Александром Солженицыным. В 1973 г. вступила с ним в официальный брак. С конца 1960-х гг. была секретарем и помощником писателя, редактором его произведений, составителем собраний сочинений.
В феврале 1974 г. за публикацию за рубежом историко-публицистической работы "Архипелаг ГУЛАГ" Александр Солженицын был арестован, лишен советского гражданства и выслан из СССР в Европу. Наталия Солженицына с помощью иностранных корреспондентов и дипломатов организовала вывоз за границу писательского архива мужа. Затем выехала к Александру Солженицыну вместе с детьми и своей матерью. 19 октября 1976 г. она была лишена советского гражданства указом Президиума Верховного Совета СССР.
В 1974-1976 гг. семья Солженицыных жила в эмиграции в Цюрихе (Швейцария), в 1976-1994 гг. – в г. Кавендиш (штат Вермонт, США).
С 1974 г. Наталия Солженицына возглавляет Русский общественный фонд помощи преследуемым и их семьям (был сформирован из гонораров за издания "Архипелага ГУЛАГ" по всему миру, оказывал материальную помощь политзаключенным в СССР и их семьям). В 1992 г. фонд (с 1998 г. - Русский общественный фонд Александра Солженицына) перенес свою деятельность в Россию. В настоящее время занимается издательской деятельностью, оказывает помощь пострадавшим от репрессий советского периода. Наталия Солженицына является президентом организации.
15 августа 1990 г. указом президента СССР Михаила Горбачева Александру и Наталии Солженицыным было возвращено советское гражданство.
В 1994 г. супруги вернулись в Россию. С 1998 г. Наталия Солженицына входит в жюри Литературной премии Александра Солженицына.
По данным "Спарк-Интерфакс", является совладельцем (доля 51%) издательства "Русский путь" (Москва).
С 2007 г. – редактор-составитель полного собрания сочинений Александра Солженицына в 30 томах (по состоянию на декабрь 2018 г. был издан 21 том).
После смерти Александра Солженицына в 2008 г. его супруга продолжает участвовать во многих проектах, начатых при жизни писателя, в частности, в работе Дома Русского Зарубежья им. А. Солженицына. Она также является главным распорядителем его литературного и историко-документального наследия.
С ноября 2018 г. - член Совета при президенте РФ по культуре и искусству.
Также является членом попечительского совета благотворительного фонда Олега Дерипаски "Вольное дело", членом совета Фонда "Увековечения памяти жертв политических репрессий" (Фонд Памяти).
Награждена орденами "За заслуги перед Отечеством" IV степени (2015), Святой великомученицы Екатерины (2019).
В начале 1960-х гг. состояла в браке с математиком Андреем Тюриным, у них был сын Дмитрий (1962-1994).
В браке с Александром Солженицыным родились трое сыновей. Ермолай (род. 1970) - старший партнер международной консалтинговой компании McKinsey, руководитель направления по горно-металлургической отрасли в Европе, СНГ, на Ближнем Востоке и в Африке. Игнат (род. 1972) - пианист и дирижер, главный дирижер Камерного оркестра Филадельфии (США). Степан (род. 1973) - генеральный директор ООО "Сибирская генерирующая компания".
Православная христианка.