Наталья Владимировна Варлей родилась в городе Констанца (Румыния) 22 июня 1947 года. Ее детство прошло в Мурманске, где служил капитаном дальнего плавания ее отец, Владимир Викторович. Наталья росла талантливым ребенком с разносторонними увлечениями, но болезненным — у неё обнаружился ревмокардит.
В конце 1950-х годов семья Варлей поселилась в Москве. Наташа занимается в детской цирковой студии, в 1965 году оканчивает акробатическое отделение Государственного училища циркового и эстрадного искусства и приходит в труппу Московского цирка на Цветном бульваре эквилибристкой.
До 1967 года она работает эквилибристкой Московского государственного цирка. В 1971 году, окончив Театральное училище имени Б.В. Щукина, становится актрисой Московского драматического театра им. К.С. Станиславского (до 1978 года).
Фильмография Натальи Варлей насчитывает более 40 картин, критики особенного отметили такие роли, как Панночка в «Вие», Родика в «Дмитрие Кантемире». Амплуа комедийной актрисы не помешало ей создавать сложные и неоднозначные образы. Последние годы она оставила работу в кино — последним ее фильмом в 2006 году стал «Волкодав из рода Серых Псов».
Она выпустила несколько песенных альбомов, четыре сборника стихов, а еще занимается дубляжом фильмов, участвует в различных телепроектах и руководит Мастерской Театрального Факультета МИТРО.
Заслуженная артистка РСФСР, лауреат Государственной премии РСФСР им. Н.К. Крупской — Наталья Варлей награждена орденами Дружбы и Почёта. Живет и работает в Москве.
