Родилась 28 июля 1951 г. в Москве в семье Николая Дмитриевича Белохвостикова (1918-1984) и Антонины Романовны Ляминой (1924-2009). Ее отец был дипломатом, мать - переводчицей. Раннее детство Наталия Белохвостикова провела в Лондоне, где ее отец занимал должность советника в посольстве Советского Союза в Великобритании. На период обучения в школе переехала в Москву, проживала с бабушкой. В 13 лет во время посещения родителей в Швеции (Николай Белохвостиков был послом СССР в этой стране в 1962-1967 гг.) Наталия была отобрана среди детей сотрудников посольства для съемок в картине режиссера Марка Донского "Верность матери" (1966) - втором фильме дилогии о Владимире Ленине и семье Ульяновых. В отсутствие основного актерского состава дублировала в общих планах Елену Фадееву в роли 75-летней матери Ленина.
В 1967 г. после премьеры фильма "Верность матери" Наталия Белохвостикова познакомилась в Москве с режиссером Сергеем Герасимовым. По его инициативе в том же году она была без экзаменов принята во Всесоюзный государственный институт кинематографии (ВГИК, ныне Всероссийский государственный институт кинематографии им. С. А. Герасимова) и зачислена в мастерскую Сергея Герасимова и Тамары Макаровой - сначала вольнослушателем (т. к. училась еще в 10-м классе школы), затем - сразу в качестве студентки второго курса (закончила школу экстерном). Во время обучения в вузе снялась в короткометражной драме Николая Губенко "Настасья и Фомка" (1968) и в фильме Сергея Герасимова "У озера" (1969).
По окончании вуза в 1971 г. Наталия Белохвостикова поступила на работу на Киностудию им. М. Горького. В 1976 г. стала актрисой труппы Театра-студии киноактера (ныне Центр театра и кино под руководством Никиты Михалкова), входила в ее состав на протяжении нескольких десятков лет.
Основная карьера актрисы связана с кинематографом. Среди фильмов с ее участием: "Красное и черное" по роману Стендаля (1976, режиссер Сергей Герасимов), "Стакан воды" по пьесе Эжена Скриба "Стакан воды, или Причины и следствия" (1979, Юлий Карасик), "Маленькие трагедии" по произведениям Александра Пушкина (1979, Михаил Швейцер), "Принцесса цирка" по оперетте Имре Кальмана (1982, Светлана Дружинина), "Законный брак" (1985, Альберт Мкртчян), "Змеелов" (1985, Вадим Дербенев).
Наталия Белохвостикова неоднократно исполняла роли в картинах своего мужа Владимира Наумова, до 1983 г. работавшего в творческом союзе с режиссером Александром Аловым: "Легенда о Тиле" по мотивам романа Шарля Де Костера "Легенда об Уленшпигеле" (1976), "Тегеран-43" (1980), "Берег" по произведению Юрия Бондарева (1983), "Десять лет без права переписки" (1990), "Белый праздник" по мотивам повести Тонино Гуэрры "Сто птиц" (1994), "Джоконда на асфальте" (2007). В общей сложности актриса снялась в более чем 25 фильмах.
Автор книги "В кадре" (2000, в соавторстве с Владимиром Наумовым).
Наталия Белохвостикова сотрудничает с Академией кинематографического и театрального искусства Н. С. Михалкова, является приглашенным мастером.
Соучредитель и генеральный директор ООО "Студия Клан" (работает в сфере кинопроизводства).
Член Союза кинематографистов РФ, Российской академии кинематографических искусств, Национальной академии кинематографических искусств и наук России.
Народная артистка РСФСР (1984).
Наталия Белохвостикова награждена орденами Почета (2003) и "За заслуги перед Отечеством" IV степени (2006).
Лауреат Государственной премии СССР в области литературы, искусства и архитектуры (1971, 1985).
В 1970 г. получила приз за лучшую женскую роль (фильм "У озера") на Международном кинофестивале в Карловых Варах (Чехословакия, ныне Чехия).
Замужем. Супруг - народный артист СССР режиссер Владимир Наумов (род. 1927). Их дочь Наталья Наумова (род. 1974) в трехлетнем возрасте снялась в фильме "Тегеран-43". Впоследствии окончила актерский факультет ВГИКа и Высшие курсы сценаристов и режиссеров, снималась как актриса в фильмах отца, но выбрала карьеру режиссера. В 2007 г. Наталия Белохвостикова и Владимир Наумов усыновили мальчика Кирилла (род. 2004).