Наталія Миколаївна Фатєєва народилася 23 грудня 1934 року у Харкові. Батько — Микола Дем'янович Фатєєв, військовослужбовець. Мати — Катерина Василівна Фатєєва, працювала у легкій промисловості, була директором ательє мод.
У 1952—1954 роках Фатєєва навчалася у Харківському театральному інституті.
1956 року Фатєєва стала першим диктором Харківської аматорської телестудії.
У 1957 році вступила до ВДІКу, на один курс із Людмилою Гурченко, Зінаїдою Кирієнко та Віталієм Матвєєвим.
У 1958 році закінчила ВДІК (майстерня С. А. Герасимова та Т. Ф. Макарової).
З 1958 року перебуває в трупі Театру-студії кіноактора. У 1959—1961 роках працювала в театрі ім. М. М. Єрмолової.
У 1961 році Фатєєва вела перші ігри КВК. Як ведучу її запросила режисер КВК Белла Сергєєва. Згодом запрошувалася до журі Вищої ліги КВК.
З 1997 по 1999 роки була ведучою програми «Еколокол» на телеканалах «Московія» та «Культура».
У 2014 році отримала премію «Ніка» за кращу жіночу роль другого плану (фільм «Листя, що летить за вітром»).
