Родилась 10 мая 1950 г. в Москве в семье Сергея Федоровича Бондарчука (1920-1994) и Инны Владимировны Макаровой (1926-2020). Ее родители были народными артистами СССР, отец - актер, режиссер и сценарист, мать - актриса.
В 1971 г. Наталья Бондарчук окончила актерское, в 1975 г. - режиссерское отделение Всесоюзного государственного института кинематографии (ныне Всероссийский государственный институт кинематографии им. С. А. Герасимова). Во время обучения в вузе ее руководителями были народные артисты СССР Сергей Герасимов и Тамара Макарова.
В качестве актрисы Наталья Бондарчук снималась в фильмах "У озера" (1969, режиссер Сергей Герасимов), "Ты и я" (1971, Лариса Шепитько), "Солярис" по мотивам научно-фантастического романа Станислава Лема (1972, Андрей Тарковский), "Звезда пленительного счастья" (1975, Владимир Мотыль), "Василий и Василиса" по произведению Валентина Распутина (1981, Ирина Поплавская) и др.
Наталья Бондарчук работает как кинорежиссер. Ее дебютной полнометражной картиной стал детский фильм "Живая радуга" по мотивам произведений Николая Носова (1982). В дальнейшем она сняла более десяти фильмов, большинство из них - по собственным сценариям. В их числе: "Детство Бемби" (1985), "Юность Бемби" (1986), "Просите и будет Вам" (1992), "Пушкин. Последняя дуэль" (2006), "Одна любовь души моей" (2007), "Красная Шапочка. Онлайн" (2018).
Художественный руководитель Московского детского профессионального театра "Бемби" (создан в 1987 г. как Детская сцена при Государственном театре киноактера, с 1989 г. работает самостоятельно).
Учредитель и президент ООО "Продюсерский центр "Золотой век", соучредитель и президент Региональной общественной организации "Экологический культурный центр "Новый дар".
Заслуженная артистка РСФСР (1977). Заслуженный деятель искусств РФ (2009).
Автор книг "Единственные дни" (2005) и "Сергей Бондарчук. Лента жизни" (2020).
Замужем. Супруг - актер Игорь Днестрянский (род. 1964). Первым мужем был кинооператор Элизбар Караваев (род. 1939). Второй супруг - народный артист РФ, актер и режиссер Николай Бурляев (род. 1946). От брака с ним - сын Иван (род. 1976, актер и композитор) и дочь Мария (род. 1987, актриса). Единокровный брат - Федор Бондарчук (род. 1967, актер и режиссер). Его отцом также был Сергей Бондарчук, матерью является народная артистка РСФСР Ирина Скобцева (род. 1927).