Родилась 21 октября 1994 г. в Нижнем Новгороде.
Является воспитанницей Комплексной специализированной детско-юношеской спортивной школы олимпийского резерва №1, расположенной в Нижнем Новгороде. Выпускница Нижегородского областного училища олимпийского резерва им. В. С. Тишина.
В марте 2008 г. в Коломне (Московская область) заняла вторые места на дистанциях 500 м и 1000 м в юниорском зачете Всероссийских соревнований по конькобежному спорту на призы Валерия Муратова. В последующие годы неоднократно становилась победителем и призером данного турнира.
В январе 2009 г. в Челябинске заняла второе место на дистанции 3000 м на зимней Спартакиаде учащихся России.
В феврале 2010 г. в Коломне в составе команды Нижегородской области стала серебряным призером командной гонки в рамках юниорского первенства России.
В феврале 2014 г. в Коломне выиграла юниорский чемпионат России на дистанции 3000 м.
В 2015-2017 гг. неоднократно становилась чемпионом и серебряным призером взрослого чемпионата России на различных дистанциях и в командной гонке.
В 2015-2017 гг. неоднократно была победительницей и призером ежегодных Всероссийских соревнований памяти Бориса Шавырина на различных дистанциях.
В феврале 2015 г. в Херенвене (Нидерланды) в составе женской сборной России стала бронзовым призером чемпионата мира в командной гонке. Повторяла аналогичное достижение на мировых первенствах 2016 г. (Коломна) и 2017 г. (Каннын, Республика Корея).
В ноябре 2015 г. на этапе Кубка мира по конькобежному спорту в Калгари (Канада) заняла третье место на дистанции 3000 м. В том же месяце стала второй на дистанции 5000 м на этапе Кубка мира в Солт-Лейк-Сити (шт. Юта, США), обновив рекорд России - 6.53,16. В декабре 2015 г. в составе сборной России показала третий результат в командной гонке на этапе Кубка мира в Инцеле (Германия). В марте 2016 г. в Херенвене одержала победу на финальном этапе Кубка мира на дистанции 3000 м. Этот результат позволил Наталье Ворониной занять второе место в общем стайерском зачете Кубка мира 2015/2016 гг. В ноябре 2016 г. на этапе Кубка мира в Харбине (Китай) заняла второе место в женской командной гонке. В ноябре 2017 г. там же на этапе Кубка мира стала второй на дистанции 3000 м. В декабре 2017 г. победила на дистанции 3000 м на этапе Кубка мира в Солт-Лейк-Сити, установив рекорд России - 3.57,70.
В январе 2018 г. в Коломне стала серебряным призером чемпионата Европы в командной гонке преследования и бронзовым - на дистанции 3000 м.
10 февраля 2018 г. заняла десятое место на дистанции 3000 м на XXIII зимних Олимпийских играх в Пхенчхане (Республика Корея). 16 февраля завоевала бронзовую медаль на дистанции 5000 м на Олимпиаде в Пхенчхане.
Заслуженный мастер спорта России (2018).
Награждена медалью ордена "За заслуги перед Отечеством" II степени (2018).
В 2020 г. стала лауреатом премии Оскара Матисена (вручается за лучшее выступление сезона в конькобежном спорте) и премии Федерации спортивных журналистов России "Серебряная лань".