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 занималась в детской цирковой студии, в 1965 году окончила акробатическое отделение Государственного училища циркового и эстрадного искусства и пришла в труппу Московского цирка на Цветном бульваре эквилибристкой.
В кино Наталья Варлей попала совершено случайно, ее актерский дебют состоялся в маленькой роли медсестры в фильме «Формула радуги». Но уже следующая картина — «Кавказская пленница, или Новые приключения Шурика» принесла Варлей всесоюзную известность.
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. В 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.
