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. Александр Солженицын был арестован по обвинению в измене родине, лишен советского гражданства и выслан из Советского Союза в Европу. Причиной послужила публикация за рубежом "Архипелага ГУЛАГ" - историко-публицистического произведения о репрессиях в СССР, жанр которого сам писатель определил как "опыт художественного исследования". После высылки супруга Наталия Солженицына с помощью иностранных корреспондентов и дипломатов организовала вывоз за границу его писательского архива. Затем она уехала к мужу вместе с детьми и своей матерью. 19 октября 1976 г. 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).
В 1974 г. Наталия Солженицына возглавила Русский общественный фонд помощи преследуемым и их семьям, который был организован на средства от гонораров за издания книги "Архипелаг ГУЛАГ", а также на добровольные пожертвования для оказания материальной помощи политзаключенным в СССР и их семьям.
15 августа 1990 г. указом президента СССР Михаила Горбачева Александру и Наталии Солженицыным было возвращено советское гражданство.
В 1992 г. фонд, возглавляемый Наталией Солженицыной, перенес свою деятельность в Россию. Спустя два года, в 1994 г., в Россию вернулись супруги Солженицыны.
В 1998 г. фонд был переименован в Русский общественный фонд Александра Солженицына (Фонд Солженицына). В настоящее время занимается издательской деятельностью, оказывает помощь пострадавшим от репрессий советского периода. Наталия Солженицына является президентом организации.
С 1998 г. входит в жюри Литературной премии Александра Солженицына.
С 2007 г. – редактор-составитель полного собрания сочинений Александра Солженицына в 30 томах (издание продолжается).
После смерти Александра Солженицына в 2008 г. его супруга продолжает участвовать во многих проектах, начатых при жизни писателя, а также в работе Дома русского зарубежья им. А. Солженицына. Она является главным распорядителем литературного и историко-документального наследия своего супруга.
С ноября 2018 г. - член Совета при президенте РФ по культуре и искусству.
Член попечительского совета благотворительного фонда Олега Дерипаски "Вольное дело", член совета фонда "Увековечения памяти жертв политических репрессий" (Фонд памяти).
По данным "СПАРК-Интерфакс", была совладельцем издательства "Русский путь" (Москва).
Награждена орденами "За заслуги перед Отечеством" III и IV степеней (2024, 2015), Святой великомученицы Екатерины (2019).
В начале 1960-х гг. Наталия Солженицына была замужем за математиком Андреем Тюриным, в этом браке у супругов родился сын Дмитрий (1962-1994). От брака с Александром Солженицыным имеет троих сыновей: Ермолая (род. 1970), Игната (род. 1972) и Степана (род. 1973). Ермолай является старшим партнером международной консалтинговой компании McKinsey&Company ("МакКинзи энд компани"). Игнат - пианист и дирижер, главный дирижер Камерного оркестра Филадельфии (США), приглашенный дирижер Московского симфонического оркестра. Степан занимается бизнесом, был руководителем Сибирской генерирующей компании, Сибирской угольной энергетической компании, в настоящее время - заместитель председателя Международного альянса за устойчивое использование угля.
Православная христианка.