Наталья Варлей родилась 22 июня 1947 года в городе Констанце (Румыния). Окончила акробатическое отделение Государственного училища циркового и эстрадного искусства (1965), Театральное училище им. Б. Щукина (1971). До 1967 — эквилибристка Московского государственного цирка. В 1971-1978 годах — актриса Драматического театра им. К.Станиславского.
Наталья Варлей известна зрителям по фильмам «Вий», «Семь невест ефрейтора Збруева» и «Двенадцать стульев». Госпремия РСФСР присуждена Варлей за художественный фильм «Не хочу быть взрослым». Но наибольшую известность ей принесла роль Нины в фильме «Кавказская пленница, или Новые приключения Шурика». Прежде чем утвердить Варлей, Леонид Гайдай просмотрел едва ли не пол-Союза. На роль Нины пробовались и Фатеева, и Кустинская, и сестры Вертинские. Однако на стороне Натальи, помимо внешности и артистизма, была еще и цирковая подготовка, «Наташа — совершенно уникальная женщина. Не только потому, что она сильная женщина — одновременно и слабая, и привлекательная в этой слабости, — говорит актер Евгений Стеблов. Но сильная — что одна практически воспитала своих детей. При этом дом у нее полон животных, она очень любит кошек. Она все успевает как-то. При этом возраст ее — совершенно неопределенен, неизвестен. Она же начинала в цирке, была воздушной гимнасткой — может быть, это в некоторой степени объясняет силу ее характера.»