Наталья Варлей родилась 22 июня 1947 года в румынском городе Констанца.
Детство Варлей прошло в Мурманске. Отец Натальи Варлей, Владимир Викторович героически воевал, был капитаном дальнего плавания, в течение двух лет он был председателем горисполкома (примерно равно сегодняшнему главе городского правительства).[1] Фамилия Варлей — валлийская[2]. Мать — Ариадна Сергеевна, внучка потомственного горного инженера Евгения Николаевича Барбота де Марни, потомка выходцев из Франции. Младшая сестра — Ирина Варлей, непрофессиональная актриса.
В четырёхлетнем возрасте начала писать стихи, затем училась в музыкальной школе, рисовала. Училась в школе № 8. Много читала. В то же время она была очень болезненным ребёнком: у неё обнаружили ревмокардит и запретили заниматься в школе физкультурой.
В конце 50-х годов семья Варлей поселилась в Москве.
В один из дней мать повела Наташу в цирк. В кассе Наталья увидела объявление о наборе детей 11—13 лет в детскую цирковую студию. На следующий день, тайком от родителей, девочка пришла по указанному адресу. Педагоги студии сочли возможным принять её к себе. Окончила акробатическое отделение Государственного училища циркового и эстрадного искусства (1965) и пришла в труппу Московского цирка на Цветном бульваре. Работала эквилибристкой.
Одно время выступала в одном номере со знаменитым клоуном Л. Г. Енгибаровым. Именно благодаря Енгибарову Наталья попала в кино. Одним из его приятелей был режиссёр Одесской киностудии Г. Э. Юнгвальд-Хилькевич. В один из дней 1966 года он пришёл на очередное представление в цирк на Цветном бульваре и увидел там Наталью. Она настолько понравилась режиссёру, что он тут же предложил ей сняться в своём новом фильме «Формула радуги». Наталья Варлей согласилась, и ей досталась маленькая роль медсестры.
Всесоюзную известность Варлей получила уже после следующего своего фильма «Кавказская пленница, или Новые приключения Шурика», в котором ей досталась заглавная женская роль «спортсменки, комсомолки и просто красавицы» Нины. Жена режиссёра Леонида Гайдая рассказывала, что на роль Нины Леонид Иовович перепробовал огромное количество актрис, включая первых красавиц, но остановился на Наталье Варлей из-за её необычайного обаяния и юношеской непосредственности. Фильм имел большой успех, и Варлей мгновенно приобрела невероятную популярность.
До 1967 года работала эквилибристкой Московского государственного цирка. В 1971 году Наталья Варлей окончила Театральное училище имени Б. В. Щукина. В 1971—1978 гг. была актрисой МДТ имени К. С. Станиславского.
В 1971 году вышла замуж за Владимира Тихонова, сына актёра Вячеслава Тихонова и актрисы Нонны Мордюковой. 26 января 1972 года родила первого сына Василия.
В 1980-х годах поступила в Литературный институт имени А. М. Горького. Учась на втором курсе 13 сентября 1985 года родила второго сына Александра. В 1995 году старший сын Василий подарил актрисе внука Евгения.
В 1999 году вместе с другими известными артистами приняла участие в проекте В. И. Мережко и композитора Евгения Бедненко «Поют звёзды театра и кино», где с успехом выступила как исполнительница собственных песен. Итогом проекта стали концерты и музыкальный диск, выпущенный в США и продублированный «Радио МПС». В 2003 году приняла участие в постановке частного театра Империя Звёзд, в спектакле «Оскар». Руководитель Мастерской Театрального Факультета МИТРО.
В 2009 году принимала участие в проекте Первого Канала «Две звезды» в паре с Н. В. Гнатюком.
Фильмография:
1966 — Формула радуги — медсестра
1966 — Кавказская пленница, или Новые приключения Шурика — Нина — главная роль
1967 — Вий — Панночка — главная роль
1969 — Золото
1970 — Бег — девочка с козой
1971 — 12 стульев — Лиза
1971 — Семь невест ефрейтора Збруева — Галина Листопад
1972 — Чёрные сухари
1973 — Мегрэ и человек на скамейке — Моник
1974 — Дмитрий Кантемир — Родика, дочь боярина Йордаке Русета
1974 — Три дня в Москве — Оля
1975 — Весна двадцать девятого
1975 — Большой аттракцион — Даша Калашникова
1976 — Соло для слона с оркестром — Таня
1977 — Эти невероятные музыканты, или Новые сновидения Шурика (ТВ) — Наталья Варлей
1979 — Сегодня или никогда
1980 — Клоун
1979 — Так и будет
1980 — Мой папа — идеалист - Алена
1981 — Старые письма — Лиза
1981 — Переходный возраст — Изольда
1981 — Единственный мужчина
1982 — Не ждали, не гадали? — жена профессора
1982 — Не хочу быть взрослым
1983 — Талисман — мама Дюка
1983 — Набат (фильм) Набат — Татьяна Коробейникова — главная роль
1984 — Нам не дано предугадать
1984 — Гостья из будущего — Марта Эрастовна
1984 — Огненные дороги
1986 — Посторонним вход разрешён
1989 — Ошибки юности
1992 — Чужая игра
1993 — Маленькие человечки Большевистского переулка, или Хочу пива
1994 — Волшебник Изумрудного города — Бастинда, Гингема
1997 — Старые песни о главном 2 — Нина
2005 — 12 месяцев — Воспитательница
2005 — Оскар (фильм-спектакль) — Шарлотта
2006 — 1-й Скорый — Нина
2006 — Волкодав из рода Серых Псов — Мать Кендарат
Наш подарок поклонникам Натальи Варлей: эротическая фотогалерея актрисы