Наталья Николаевна Фатеева родилась 23 декабря 1934 года в Харькове. Отец — Николай Демьянович Фатеев, военнослужащий. Мать — Екатерина Васильевна Фатеева, работала в лёгкой промышленности, была директором ателье мод.В 1952—1954 годах Наталья Фатеева училась в Харьковском театральном институте.В 1956 году Наталья Фатеева стала первым диктором Харьковской любительской телестудии. В 1958 году окончила ВГИК (мастерская С. А. Герасимова и Т. Ф. Макаровой).В 1958—1959 годах и с 1961 года — актриса Театра-студии киноактёра, в 1959—1961 — актриса театра им. М. Н. Ермоловой. Снялась в общей сложности в более чем 70 популярнейших кинокартин советского времени, среди которых "Три плюс два", "Джентльмены удачи", "Место встречи изменить нельзя" и многие другие...Приглашалась в жюри Высшей лиги КВН.В 2014 году получила премию «Ника» за лучшую женскую роль второго плана (фильм «Летящие по ветру листья»).Состояла в партии «Демократический выбор России», в 1999 году агитировала за СПС. В настоящее время входит в федеральный политсовет движения «Солидарность».В марте 2010 года подписала обращение российской оппозиции «Путин должен уйти».25 июня 2011 года на митинге Партии народной свободы заявила о вступлении в эту партию.Выразила своё отношение к негативной оценке депутатами Госдумы сказанного Владимиром Познером на федеральном канале (журналист назвал Госдуму госдурой, за что потом извинился). В её ответе было сказано:Дума не просто дура. Вы — негодяи, отрабатывающие свой харч. А вы, парнишка-кагэбэшник — мерзавец. Вам от расплаты всё равно не уйти. А на ваш зомби-ящик я просто не хожу.В середине августа 2013 года Наталья Фатеева вывесила на балконе своей квартиры в доме на Фрунзенской набережной призыв к кандидату в мэры Москвы Алексею Навальному «НАВАЛЬНЫЙ. Измени Россию, начни с Москвы». После этого к ней явилась группа в составе участкового, представителей ЖЭК и понятых и потребовала снять лозунг. Актриса ответила отказом. Через несколько часов лозунг был снят работниками ЖЭК.В марте 2014 года актриса подписала обращение российских деятелей культуры против политики президента РФ В. В. Путина на Украине