Родилась 12 апреля 1975 г. в г. Алма-Ате Казахской ССР (ныне – Республика Казахстан).
В 1998 г. окончила философский факультет Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.
В 1995-1997 гг. работала корреспондентом отдела политики газеты "Московский комсомолец". В 1996 г. вошла в "президентский пул" журналистов, сопровождала президента РФ Бориса Ельцина в его предвыборных и официальных поездках.
С октября 1997 г. по март 1999 г. – корреспондент отдела политики газеты "Коммерсант".
В марте 1999 г. перешла на работу в информационное агентство "Интерфакс" по приглашению его руководителя Михаила Комиссара. Была политическим обозревателем "Интерфакса" до октября 1999 г.
В октябре 1999 г. перешла в Аппарат правительства РФ, где заняла должность и. о. пресс-секретаря председателя правительства РФ Владимира Путина и одновременно – заместителя директора департамента правительственной информации. 11 ноября 1999 г. на пост пресс-секретаря премьер-министра был назначен Михаил Кожухов. Наталья Тимакова при этом сохранила за собой должность заместителя директора департамента правительственной информации.
В январе 2000 г. перешла на работу в Администрацию президента РФ по приглашению ее руководителя Александра Волошина. Была назначена заместителем начальника Управления пресс-службы президента РФ (начальник управления в 2000-2002 гг. – Игорь Щеголев; в феврале - ноябре 2002 г. – Михаил Калмыков).
С 4 ноября 2002 г. по 9 апреля 2004 г. Наталья Тимакова занимала должность первого заместителя пресс-секретаря президента РФ - начальника Управления пресс-службы президента РФ. Пресс-секретарем главы государства в эти годы был Алексей Громов.
С 9 апреля 2004 г. по 13 мая 2008 г. - начальник Управления пресс-службы и информации президента РФ Владимира Путина. Администрацией главы государства в этот период руководили Дмитрий Медведев (до ноября 2005 г.), а затем Сергей Собянин.
С 13 мая 2008 г. по 21 мая 2012 г. - пресс-секретарь президента РФ Дмитрия Медведева.
С 21 мая 2012 г. по 17 сентября 2018 г. - пресс-секретарь председателя правительства РФ – заместитель руководителя Аппарата правительства РФ. Пост премьер-министра РФ с мая 2012 г. занимает Дмитрий Медведев.
17 сентября 2018 г. назначена заместителем председателя Внешэкономбанка (впоследствии - ВЭБ.РФ) Игоря Шувалова. В госкорпорации отвечала за взаимодействие с органами государственной власти, а также в рамках направления по развитию современной городской экономики курировала культурные проекты и вопросы корпоративной социальной ответственности. Покинула пост 1 марта 2023 г. После этого она заняла должность директора по развитию московской Школы управления "Сколково".
Действительный государственный советник РФ I класса (2003).
Награждена орденами "За заслуги перед Отечеством" IV степени (2012), Александра Невского (2018), медалью П. А. Столыпина I степени (2015). Отмечена тремя благодарностями президента РФ (2004, 2008, 2010), благодарностью правительства РФ (2018). Имеет орден Дружбы (Южная Осетия, 2009).
Соавтор книги "От первого лица. Разговоры с Владимиром Путиным" (2000, совместно с Наталией Геворкян и Андреем Колесниковым).
Владеет английским языком.