Маленькая Наташа родилась в Румынии, семья оказалась там из-за работы отца. Ведь отец Натальи Варлей был капитаном дальнего плавания. Семья, то и дело, переезжала с места на место. В детстве Наталья как-то побывала в цирке, девочка была очарована. Она решила, что будет циркачкой.
Несмотря на слабое здоровье, Варлей исполнила свою мечту. Она поступила в цирковое училище, а потом работала эквеилибристкой в цирке. Именно там её увидел режиссёр Гайдай и пригласил на съёмки своего фильма. После картины «Кавказская пленница» Наталья Варлей стала звездой всесоюзного масштаба. А ей было всего 19 лет.
Очаровательная красавица с глубоким и чарующим взглядом не оставляла мужчин равнодушными. В неё был влюблён Леонид Филатов, Константин Райкин, Николай Бурляев. И даже Гайдай оказывал ей знаки внимания. А она вышла замуж за красавца Владимира Тихонова, Варлей породнилась с именитой семьёй. Она родила сына Василия. Только муж страдал тяжелой зависимостью, конечно же, семейной жизни не получилось.
Вторым супругом актрисы стал узбекский актёр Ульмас Алиходжаев, от него актриса родила сына Александра. Но семейная жизнь тоже не задалась. Она попробовала построить счастье в третий раз, вышла замуж за мужчину, владельца строительный фирмы. Однако, тот не нашёл общий язык с сыновьями актрисы. Они расстались, несмотря на то, что обвенчались.
Сейчас Наталье Варлей 77 лет, она живёт в загородном доме в Подмосковье. Актриса живёт в окружении кошек, она пишет стихи. Сыновья живут своей жизнью, изредка навещают мать.