Наталья Варлей родилась в 1947 году в румынском городе Констанца, в семье капитана дальнего плавания.

Ряд источников в графе о национальности актрисы указывает – русская, но фамилия имеет английские корни. Отец Натальи имел немецкие и валлийские корни. Семейная легенда Варлей повествует, что в XIX веке из Уэльса вместе с конюшней, слугами и 2 братьями-жокеями по фамилии Варлей в Россию переехал фабрикант. Но и по маминой линии не обошлось без иностранцев: Ариадна Сергеевна Сенявина, мать Натальи, была потомком инженера французского происхождения Барбота де Марни.Уже в детстве (с 4 лет) у Наташи проявились таланты: писала стихи, рисовала. У артистки обнаружились музыкальный слух и красивый голос, и родители записали дочь в музыкальную школу. В Москве, куда позже переехала семья Варлей, девочка увидела в здании цирка объявление о наборе детей в акробатическую студию. 11-летняя Наталья записалась туда тайком, не сказав родителям ни слова.По окончании 8-го класса Наталья поступила в Государственное училище циркового и эстрадного искусства. Став дипломированной эквилибристкой, выступала в разных цирках эквилибристкой, в том числе – со знаменитым клоуном Леонидом Енгибаровым в цирке на Цветном бульваре.Во время съемок «Формулы радуги» Наталья Варлей попала на глаза ассистентке Леонида Гайдая, которая пригласила девушку на пробы нового комедийного проекта «Кавказская пленница, или Новые приключения Шурика». На пробах Гайдай попросил ее сняться в купальнике (довольно смело для тех времен), и актриса, не стесняясь, выполнила условие. Но не потому, что была слишком раскрепощенной для того времени, а потому, что для нее, как для цирковой артистки, купальник (трико) был обычной формой одежды для выступлений.Надо сказать, что Наталья, получив эту роль, оставила позади полтысячи претенденток, среди которых были Наталья Кустинская, Марианна и Анастасия Вертинские, Валентина Малявина и Наталья Фатеева. Кроме того, все трюки в фильме актриса выполняла самостоятельно и даже специально для съемок научилась водить автомобиль.Сразу после выхода комедии «Кавказская пленница, или Новые приключения Шурика» на экраны артистка проснулась знаменитой всесоюзной любимицей, а страна узнала имя Натальи Варлей.После громкого дебюта были успешные роли в таких культовых фильмах, как «12 стульев» (Лиза), «Вий» (Панночка), «Семь невест ефрейтора Збруева» (Галина Листопад), «Гостья из будущего» (тренер Марта Скрыль). Но из всех своих кино-работ сама Наталья Варлей выделяет роль порядочной продавщицы Нази, которую жизнь вгоняет в депрессию и заставляет разочароваться в людях, в социальной драме «Ливень».А самой необычной ролью актрисы стала роль преступницы, захватившей самолёт с заложниками, в фильме «Набат» 1983 года, на котором очень долгое время стоял гриф «Для служебного пользования».