Заслуженная артистка РСФСР, лауреат Государственной премии РСФСР им. Н.К. Крупской Наталья Варлей родилась 22 июня 1947 года в румынском городе Констанца.
Кадр из фильма Леонида Гайдая «Кавказская пленница, или Новые приключения Шурика» (1966)
Её детство прошло в Мурманске. В четырёхлетнем возрасте начала писать стихи, далее училась в музыкальной школе, рисовала.
В конце 1950-х годов семья Варлей переехала в Москву. Во время одного из первых посещений цирка, 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. В 1965-м году окончила акробатическое отделение Государственного училища циркового и эстрадного искусства и устроилась в труппу Московского цирка на Цветном бульваре. Работала эквилибристкой.
Некоторое время выступала в одном номере со знаменитым клоуном Л.Г. Енгибаровым. Именно благодаря Енгибарову попала в кино. Одним из его приятелей был режиссёр Одесской киностудии Г.Э. Юнгвальд-Хилькевич. Как-то, в один из дней 1966 года он пришёл на очередное представление в цирк на Цветном бульваре и увидел там Наталью, которая настолько понравилась режиссёру, что тот 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» (1966), в котором ей досталась заглавная роль «спортсменки, комсомолки и просто красавицы» Нины. Жена режиссёра Леонида Гайдая рассказывала, что на роль Нины Леонид Иович 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.
В 1971 Наталья Варлей окончила Театральное училище им. Б.В. Щукина. В 1971—1978 годах была актрисой МДТ имени К.С. Станиславского. В 1984 году поступила в Литературный институт им. А.М. Горького. В 1992 году записала грампластинку «На высшей точке единения», где исполняла песни на собственные стихи и музыку Николая Шершня.
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».
Начиная с 2003-го года пробовала себя в театре и на телевидении. За свою активную жизнь Наталья Варлей снялась в фильмах «Вий» (1967), «Бег» (1970), «Соло для слона с оркестром» (1976), «Клоун» (1980), «Талисман» (1983), «Гостья из будущего» (1984), «Посторонним вход разрешён» (1986), «Волшебник Изумрудного города» (1994), «Первый Скорый» (2006), «Волкодав из рода Серых Псов» (2006) и многих других.
