Родилась в простой семье: мать — Румянцева Надежда Всеволодовна, домохозяйка, отец — Румянцев Василий проводник на железной дороге.
Надежда Румянцева после школы поступила в государственный институт театрального искусства имени Луначарского. На экзаменах прочла монолог Фамусова, что и определило её судьбу. Актриса и педагог Ольга Пыжова возлагала на Румянцеву большие надежды, поэтому взяла её с собой во ВГИК, куда со временем перешла работать.
Надежда Румянцева в итоге закончила Всесоюзный государственный институт кинематографии, но к тому времени она уже была сложившейся актрисой на амплуа «травести». Она уже много работала на сцене Центрального детского театра и снялась в фильмах «Навстречу жизни» и «Алёша Птицын вырабатывает характер». После кинофильма «Королева бензоколонки» все маленькие курносые девчонки узнали, что и они могут стать кинозвёздами.
В 1955 году Надежда Румянцева поступила на службу в Театр-студию киноактёра. Через 6 лет она снялась в фильме «Девчата», который принёс ей мировую славу. После «Девчат» снималась ещё в общей сложности в 24 фильмах. Озвучивала несколько киноролей: её голосом говорит Нина в «Кавказской пленнице» и Николь в «Как украсть миллион».
В конце 1960-х на длительное время перестала сниматься в кино, поскольку жила за границей, сопровождая в зарубежных командировках своего мужа, дипломата Вилли Хштояна.
После возвращения в СССР удачно сложилась карьера на телевидении: каждое воскресное утро телевизионный «Будильник», ведущей которого была Надежда Васильевна, будил тысячи советских мальчишек и девчонок. Принимала участие в озвучивании общеизвестных в СССР мультипликационных фильмов «38 попугаев», «Привет мартышке», «Бабушка удава». Снялась в эпизодических ролях ещё в нескольких кинокартинах, продолжила озвучивать фильмы.
По словам близкой подруги Галины Пешковой, «Румянцева давно отошла от кинематографических дел,… все время посвящала семье мужу и дочери Карине». В 2006 году Надежда Васильевна снялась в последней в своей жизни телепрограмме «Линия жизни» на канале «Культура».
В 1996 году двое преступников пытались ограбить квартиру. Грабителей задержал её муж Вилли Хштоян, который в молодости занимался единоборствами, но один из них успел нанести Надежде Васильевне удар по голове. До конца жизни Надежду Васильевну преследовали сильные боли, от которых она периодически теряла сознание.
Существуют разные версии болезни Надежды Румянцевой. Говорили, что у неё были сердечные заболевания. Также, ходили слухи о серьёзном онкологическом заболевании мозга. Ещё одна версия говорила о том, что болезнь началась в 2001 году, когда она упала с лестницы. Подлинная история болезни неизвестна.
Надежда Румянцева скончалась в одной из московских клиник, во вторник вечером 8 апреля 2008 года в 21:40 по Московскому времени, в возрасте 77 лет. Рядом с ней всю последнюю неделю находился её муж Вилли Хштоян.
Надежду Румянцеву похоронили в субботу 12 апреля 2008 года на Ваганьковском Армянском кладбище в Москве.