Наталья Николаевна Фатеева родилась в городе Харькове, 23 декабря 1934 года. Ее отец Николай Демьянович был военнослужащим, а мать работала директором в ателье мод. В детстве Фатеева ходила в музыкальную школу, но не имела там большого успеха, однако в спорте она достигла немалых успехов, и стала чемпионкой города по прыжкам в длину.
В 1954 году Наталья закончила Харьковский национальный университет искусств, после которого была успешно зачислена в ВГИК, к Герасимову и Макаровой. Причем она была зачислена сразу на четвертый курс. После ВГИКа Фатеева была приглашена в Театр имени Ермоловой, в котором играла в главных ролях практически всех постановках. При этом она периодически снимется в кино, однако особого признания она не получает.
Дальнейшая биография Натальи Фатеевой стала развиваться благодаря фильму “Три плюс два”. К актрисе пришла всенародная слава и успех, а во время съемок у нее возник роман с Андреем Мироновым, который также принимал участие в съемках.
Наталья Фатеева никогда не испытывала недостатка в мужском обществе. Ее личная жизнь постоянно обсуждалась поклонниками, и была предметом наблюдения практически всей страны. Впервые актриса вышла замуж еще во время своей студенческой жизни. Ее мужем стал актер Леонид Тарабанов, с которым у них родилась дочь. Однако решив продолжить свое обучение в Москве, актриса бросает мужа и дочь, и уезжает учиться в ВГИК.
В Москве Наталья знакомится с режиссером Владимиром Басовым, за которого впоследствии выходит замуж. От второго брака Фатеева родила сына Владимира, в 1959 году. При этом их союз нельзя было назвать счастливым, и через непродолжительное время пара рассталась. Вскоре актриса Наталья Фатеева познакомилась с известным летчиком-космонавтом Борисом Егоровым, который к тому времени был уже женат, но это не остановило Наталью. Поэтому вскоре Егоров разводится со своей женой и сходится с Фатеевой. При этом у них рождается дочь Наталья.
Однако и этот брак не оказывается успешным. Борис увлекается молодой актрисой Натальей Кустинской, ради которой уходит из семьи. Таким образом, Фатеева опять остается одна. В настоящее время артистка продолжает сниматься в фильмах, последний из которых выходит 2012 году и называется “Вагончик мой дальний”. При этом она принимает активное участие в политике, и является членом партии “Партия народной свободы”.