Народная артистка РСФСР (1980).
Родилась 23 декабря 1934 года в Харькове.
В 1952-1954 годах Наталья Фатеева училась в Харьковском театральном институте. В 1958 году окончила ВГИК (мастерская С. А. Герасимова и Т. Ф. Макаровой).
В труппе Театра Киноактера с 1958 по 2019 год. С 2019 года в труппе Центра театра и кино.
Театральные работы:
Мадам де Реналь – «Красное и чёрное» по Стендалю, постановка С. А. Герасимова – в Театре Киноактера;
Даша – «Два упрямца» Назыма Хикмета, Патриция - «Три товарища» Э. М. Ремарка – в Театре им. М. Ермоловой;
Клер Ланн – «Любовь к английской мяте» по произведениям Маргерит Дюрас, режиссёр – Владимир Агеев – Независимый театральный проект.
Дебютировала в кино в 1956 году, сыграв Таню Оленину в фильме «Есть такой парень».
Фильмография актрисы насчитывает более 100 кинофильмов и сериалов, среди которых: «Три плюс два», «Джентльмены удачи», «Ответная мера», «Обычный месяц», «Соль земли», «Место встречи изменить нельзя», «Проездом», «Из жизни начальника уголовного розыска», «Прежде, чем расстаться», «Человек с бульвара Капуцинов», «Осенние соблазны», «Крестоносец», «Рыцарский роман», «Королев», «Чизкейк», «Летящие по ветру листья» и др.
Награждена медалью «Защитнику свободной России» (1996), Орденом Почёта (2000), медалью Св. Александра Невского «За труды ради Отечества» (2005).
Лауреат Национальной кинематографической премии «НИКА» в номинации «Лучшая женская роль второго плана» в картине «Летящие по ветру листья» (2013).
Обладатель Почетного приза оргкомитета 12-го фестиваля «Московская премьера» (2014).