Родилась 7 июля 1924 г. в Ленинграде (ныне - Санкт-Петербург). Внучка русского физиолога, психиатра и невропатолога Владимира Михайловича Бехтерева (1857-1927). Отец - Петр Владимирович (1888-1938), инженер и изобретатель, был репрессирован и расстрелян. Мать, Зинаида Васильевна (1896-1975), также подверглась репрессиям и была сослана на восемь лет в лагерь в Мордовию. Наталья, а также ее брат и младшая сестра попали в детдом. Во время Великой Отечественной войны жила в блокадном Ленинграде, в 1942-1944 гг. находилась в эвакуации в Иваново.
Образование, ученые степени и звания
В 1947 г. окончила с отличием Первый Ленинградский медицинский институт им. академика И. П. Павлова (ныне - Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. академика И. П. Павлова). В 1947-1949 гг. училась в аспирантуре Института центральной нервной системы Академии медицинских наук СССР (в 1950 г. вошел в состав Института физиологии им. И. П. Павлова Академии наук СССР).
Доктор медицинских наук, профессор. В 1951 г. в Институте физиологии им. И. П. Павлова АН СССР защитила диссертацию на соискание ученой степени кандидата биологических наук по теме "Сравнительная характеристика возбудимости вегетативного и двигательного аппаратов при электрическом раздражении коры головного мозга". В 1959 г. - диссертацию доктора медицинских наук по теме "О биоэлектрической активности больших полушарий головного мозга при супратенториальных опухолях".
В 1963 г. была избрана членом-корреспондентом, в 1975 г. - академиком АМН СССР. В 1970 г. стала членом-корреспондентом, в 1981 г. - академиком АН СССР (впоследствии - Российская академия наук). Являлась членом Отделения физиологии РАН.
Научная и общественная деятельность
С 1950 по 1954 г. была младшим научным сотрудником Научно-исследовательского института экспериментальной медицины Академии медицинских наук СССР (НИИЭМ АМН СССР, ныне - ИЭМ, Санкт-Петербург).
В 1954-1962 гг. работала в Ленинградском научно-исследовательском нейрохирургическом институте им. профессора А. Л. Поленова (ныне - Российский научно-исследовательский нейрохирургический институт им. профессора А. Л. Поленова). Была старшим научным сотрудником (с 1954 г.), заведующей электрофизиологической лабораторией (с 1959 г.), заместителем директора института по научной работе (1960-1962).
В 1962 г. Наталья Бехтерева вернулась в НИИЭМ АМН СССР, где организовала отдел нейрофизиологии человека (возглавляла его до 1990 г.). Впоследствии занимала должность заместителя директора института по научной работе. В 1970-1990 гг. возглавляла НИИЭМ. В 1980 г. основала при нем клинику функциональной нейрохирургии и неврологии.
В 1990 г. по ее инициативе на базе отдела нейрофизиологии человека НИИЭМ АМН СССР и лаборатории позитронно-эмиссионной томографии Института эволюционной физиологии и биохимии (ИЭФБ) им. И. М. Сеченова АН СССР был создан Институт мозга человека АН СССР (ныне - ИМЧ РАН, Санкт-Петербург). Наталья Бехтерева была назначена научным руководителем института, а должность директора занял ее сын Святослав Медведев (заведующий лабораторией ИЭФБ АН СССР). С 1992 г. Бехтерева также возглавляла научную группу нейрофизиологии мышления, творчества и сознания ИМЧ.
Избиралась депутатом Верховного Совета СССР (1970-1974), народным депутатом СССР (1989-1991).
Была вице-президентом Международного союза физиологических наук (1974-1980) и Международной организации по психофизиологии (1982-1994), главным редактором журнала "Физиология человека" АН СССР (1975-1987) и международного журнала "Психофизиология" (1984-1994).
Скончалась 22 июня 2008 г. в клинике Гамбурга (Германия) после продолжительной болезни. Похоронена на кладбище поселка Комарово (Санкт-Петербург).
Вклад в медицину
Наталья Бехтерева заложила основы фундаментальных исследований и создала оригинальную научную школу в области физиологии здорового и больного мозга человека. Предложила и использовала для лечения различных нервных заболеваний метод долгосрочного вживления электродов в мозг человека.
Автор и соавтор свыше 360 научных работ (более 130 опубликованы в международной периодике), в том числе 14 монографий (четыре переизданы за рубежом), а также ряда книг. Среди них - "Физиология и патология глубоких структур головного мозга человека" (1967), "Нейрофизиологические аспекты психической деятельности человека" (1971), "Здоровый и больной мозг человека" (1980), "Магия творчества и психофизиология: факты, соображения, гипотезы" (2006), "Магия мозга и лабиринты жизни" (2007) и др.
В последние годы жизни ученую критиковали за увлечение мистикой и легитимизацию ненаучных теорий, например, экстрасенсорики или телевизионного целительства.
Награды, почетные звания
Лауреат Государственной премии СССР науки и техники (1985, "за исследования по физиологии головного мозга человека"). Награждена орденами Трудового Красного Знамени (1975), Ленина (1984), "Знак Почета" (1967), Дружбы народов (1994), "За заслуги перед Отечеством" III и IV степеней (2004, 1999).
В числе ее наград - золотая медаль им. В. М. Бехтерева РАН (1997), медаль им. Ханса Бергера (Германия, 1970), медаль им. Мак-Каллоха (США, 1972) и др.
Была избрана иностранным членом Австрийской (1974) и Финской (1990) академий наук, Американской академии медицины и психиатрии (1993), действительным членом Международной академии наук экологии, безопасности человека и природы (1997). Являлась почетным членом Венгерского электрофизиологического общества, Чехословацких нейрофизиологического и нейрохирургического обществ им. Пуркинье.
Почетный гражданин Санкт-Петербурга (2008).
Семья
Дважды была замужем. Первый супруг - Всеволод Иванович Медведев (1924-2008), физиолог, член-корреспондент РАН. Вторым мужем был экономист Иван Ильич Каштелян.
Сын, Святослав Медведев (род. 1949), - физиолог, академик РАН, в 1990-2017 гг. возглавлял ИМЧ РАН.