Наталья Варлей родилась в румынском городе Констанца, детство провела в Мурманске, а в конце 50-х семья перебралась в Москву. В возрасте 12 лет поступила на акробатическое отделение Государственного циркового училища, после окончания которого работала в цирке на Цветном бульваре эквилибристкой и выступала в паре с легендарным клоуном Леонидом Енгибаровым.

Именно благодаря Енгибарову Варлей попала в кино. Знаменитый клоун порекомендовал напарницу своему другу – режиссеру Георгию Юнгвальд-Хилькевичу для съемок фильма "Формула радуги". И хотя фильм не вышел на экраны, именно на его съемках Наталью Варлей заметила ассистентка Леонида Гайдая, который в то время работал над "Кавказской пленницей".

На роль студентки-комсомолки Нины в "Кавказской пленнице" претендовало около пяти сотен актрис, среди которых были такие звезды советского кино, как Наталья Фатеева, сестры Вертинские, Наталья Кустинская, Валентина Малявина и другие.

Варлей вспоминает о кинопробах: "Пришла на "Мосфильм". Дали мне почитать кусочек из сценария, сняли небольшой эпизод. И вдруг Гайдай робко меня просит раздеться до купальника. Я разделась, и все так и ахнули. У меня-то купальник являлся повседневной цирковой формой. Словом, сняли и этот эпизод. Пожалуй, он и решил выбор".

Успех "Кавказской пленницы" резко изменил судьбу Натальи: она бросила цирк и поступила в театральное училище им. Щукина, где познакомилась со своим будущим мужем Владимиром Тихоновым – сыном Нонны Мордюковой и Вячеслава Тихонова.

В конце октября 1967 года состоялась премьера еще одного фильма, в котором Варлей сыграла главную роль. "Вий" Ершова и Кропачева стал фактически первым отечественным фильмом ужасов.

Наталья Варлей снялась в более чем 60 фильмах, среди которых "Семнадцать мгновений весны", "Двенадцать стульев", "Не горюй!", "Ирония судьбы, или С легким паром!", "Собака на сене", "Гостья из будущего", "О бедном гусаре замолвите слово" и другие. Кроме того, актриса издала несколько сборников стихов и озвучила около двух тысяч картин.