Наталья Варлей появилась на свет в 1947 году, 22 июня в городе под названием Констанца, в Румынии. Всё своё детство Наталья прожила в Мурманске. С самого раннего возраста, у неё начал проявляться огромный творческий потенциал, как показывает биография Варлей. В возрасте четырёх лет она начала сочинять свои первые стихи, очень красиво рисовала, и была преуспевающей ученицей музыкальной школы. В то же время, врачи обнаруживают у Наташи ревмокардит, и она получает отказ от занятий физкультурой.
Но уже в конце пятидесятых годов 20-го века Наталья Варлей со своей семьей переезжает жить в Москву. Особо интересна история о том, как Наталья попала в цирковое училище. Она, увидев объявление о наборе детей в возрасте от 11 до 13 лет, тайком от родителей, пришла в цирк. И, как это ни странно, её приняли. Виной тому послужила отличная растяжка и хорошая гибкость.
Но уже в 1965 году Наталья, после окончания циркового училища, устраивается на работу эквилибристкой, в цирке на большом бульваре. Небольшой период работы в цирке выступала с известнейшим в то время клоуном Леонидом Енгибаровым. Именно благодаря Леониду, она получила роль в фильме кавказская пленница. На роль в этом фильме претендовало около 500 участниц. Но Гайдай посчитал нужным выбрать именно Варлей. И, как мы с вами видим, он не ошибся в своём выборе.
Премьера картины была в Москве, 1 апреля 1967 года. Успех был невероятным. Варлей приобрела всесоюзную известность. Прежде всего, своим обаянием и красотой Наташа сумела покорить сердца многих её фанатов. Ей, в прямом смысле, не давали прохода. Писали множество любовных писем, заваливали цветами, подарками. А очень хорошо запоминающуюся песню о белых медведях пел весь советский союз. Но, не смотря на такой безоговорочный успех, Наталья Варлей получила за него всего лишь двести рублей. Вскоре ещё сто рублей.
Съёмки в «Кавказской пленнице» сильно изменили дальнейшую жизнь Наташи. Она перестала работать в цирке, и поступила учиться театральное училище. Но всё же, самым важнейшим событием в жизни Наташи стал её брак с Владимиром Тихоновым. Владимир был сыном, безусловно, очень популярных людей — Нонны Мордюковой и Вячеслава Тихонова. Даже не смотря на то, что их дальнейшие пути разошлись, Наталья Варлей говорит о Владимире только всё самое хорошее.
На данный момент Наталья имеет двух сыновей, и недавно вышла замуж. Старается поддерживать себя в тонусе, соблюдая все посты, занимается спортом.