Наталья Андрейченко актрисой решила стать ещё в школе. После неудачной попытки поступить в Высшее театральное училище им. М. С. Щепкина поступила во ВГИК, где училась в мастерской Сергея Бондарчука и Ирины Скобцевой.

Дебютировала в кино в 1975 году, на втором курсе, в фильмах «От зари до зари» и «Колыбельная для мужчин». Первый крупный актёрский успех — роль в киноэпопее «Сибириада», вышедшей на экраны в 1979 году. Фильм был отмечен специальным призом жюри на кинофестивале в Каннах.

Но наибольший успех у зрителей вызвали две её роли: Мэри Поппинс в телефильме Леонида Квинихидзе «Мэри Поппинс, до свиданья!» и Любы Антиповой в мелодраме «Военно-полевой роман».

Дважды выходила замуж. Первый муж — композитор Максим Дунаевский. Второй — кинорежиссёр Максимилиан Шелл, брак с которым был заключен 11 июня 1986 года. Мать двоих детей: сын Митя (от первого брака) и дочь Настя. В 1991 году эмигрировала в США к мужу. Однако через несколько лет вернулась в Россию. В 2010 году стала одним из членов жюри украинского талант-шоу «Украина слезам не верит».