Наталья Варлей родилась в румынском городе Констанца.

Детство Варлей прошло в Мурманске. Отец Натальи Владимир Викторович был капитаном дальнего плавания, в течение двух лет он был председателем горисполкома. Мать - Ариадна Сергеевна.

В четырёхлетнем возрасте начала писать стихи, затем училась в музыкальной школе, рисовала. Училась в школе № 8. Когда выучилась читать, стала «проглатывать» одну книгу за другой.

В конце 50-х годов семья Варлей поселилась в Москве, В один из дней мама повела Наташу в цирк. В кассе Наталья увидела объявление о наборе детей 11—13 лет в детскую цирковую студию. На следующий день, тайком от родителей, девочка пришла по указанному адресу. Педагоги студии сочли возможным принять её к себе. Окончила акробатическое отделение Государственного училища циркового и эстрадного искусства (1965) и пришла в труппу Московского цирка на Цветном бульваре. Работала эквилибристкой.

Одно время выступала в одном номере со знаменитым клоуном Леонидом Енгибаровым. Именно благодаря Енгибарову Наталья попала в кино. Одним из его приятелей был режиссёр Одесской киностудии Георгий Юнгвальд-Хилькевич. В один из дней 1966 года он пришёл на очередное представление в цирк на Цветном бульваре и увидел там Наталью. Она настолько понравилась режиссёру, что он тут же предложил ей сняться в своём новом фильме «Формула радуги». Наталья Варлей согласилась, и ей досталась маленькая роль медсестры.

Всесоюзную известность Варлей получила уже после следующего своего фильма «Кавказская пленница, или Новые приключения Шурика», в котором ей досталась заглавная женская роль «спортменки, комсомолки и просто красавицы» Нины. Жена режиссёра Леонида Гайдая рассказывала, что на роль Нины Гайдай перепробовал огромное количество актрис, включая первых красавиц, но остановился на Наталье Варлей из-за её необычайного обаяния и юношеской непосредственности. Фильм имел большой успех, и Варлей мгновенно приобрела невероятную популярность и даже вошла в народный фольклор.

До 1967 года работала эквилибристкой Московского государственного цирка. В 1971 году Наталья Варлей закончила Театральное училище имени Б. В. Щукина. В 1971—1978 гг. была актрисой Московского драматического театра им. К. С. Станиславского.

Признание и награды

Заслуженная артистка РСФСР (1989).

Лауреат Государственной премии РСФСР (за фильм «Не хочу быть взрослым»).

Фильмография

1966 — Формула радуги

1966 — Кавказская пленница, или Новые приключения Шурика — Нина

1967 — Вий — Панночка

1969 — Золото

1970 — Бег — девочка с козой

1971 — 12 стульев — Лиза

1971 — Семь невест ефрейтора Збруева — Галина Листопад

1972 — Чёрные сухари

1973 — Мегрэ и человек на скамейке — Моник

1974 — Дмитрий Кантемир — Родика

1974 — Три дня в Москве — Оля

1975 — Весна двадцать девятого

1975 — Большой аттракцион — Даша Калашникова

1976 — Соло для слона с оркестром — Таня

1979 — Сегодня или никогда

1980 — Клоун

1980 — Мой папа — идеалист

1981 — Старые письма — Лиза

1981 — Переходный возраст — Изольда

1981 — Единственный мужчина

1981 — Не ждали, не гадали

1982 — Не хочу быть взрослым

1983 — Талисман

1984 — Нам не дано предугадать

1984 — Гостья из будущего — Марта Эрастовна

1984 — Огненные дороги

1986 — Посторонним вход разрешён

1989 — Ошибки юности

1992 — Чужая игра

1993 — Маленькие человечки Большевистского переулка, или Хочу пива

1994 — Волшебник Изумрудного города — Бастинда, Гингема

1997 — Старые песни о главном 2 — Нина

2006 — Волкодав из рода Серых Псов