Наталия родилась 12 января 1969 года в городе Белогорске в Крыму. После выпускного Наталия решилась стать актрисой. Девушка поехала в Москву, где ей удалось поступить в Театральное училище имени М. С. Щепкина, которое она окончила в 1990-ом году. Сразу после этого начинающая актриса была принята в труппу театра «Сатирикон» имени Аркадия Райкина.
Дебют в кино состоялся спустя пять лет, в 1995-ом. Наталия сыграла горьковскую героиню Варвару Басову в фильме Сергея Урсуляка «Летние люди». Драма рассказывает о собрании на даче русского дворянства: юный дворянин, влюбленный в хозяйку имения, жеманная поэтесса, писатель, который уже давно перестал писать, легкомысленная жена, ее любовник и ревнивый муж. Дачный сезон обещает быть полным интриг и приключений. После этой роли в карьере актрисы образовалась пауза длиной в 8 лет. Следующий фильм с участием Натальи Вдовиной появился только в 2003 году. Вдовина сыграла в мини-сериале «Люди и тени 2: Оптический обман» в роли Лейкиной. Но настоящей удачей для Наталии стало приглашение сниматься в дебютной ленте Андрея Звягинцева «Возвращение» (2003). 34-летняя актриса сыграла мать двоих детей, к которым неожиданно возвращается блудный отец — герой Константина Лавроненко. Лента удостоилась кипы наград Венецианского кинофестиваля. Триумф русской картины прославил актрису и заново открыл для нее двери кинематографа и телевидения.
Следом она снялась в главной роли в телесериале «Небо в горошек»(2003). Актриса исполнила роль Клавдии, молодой и предприимчивой москвички, которая, накопив приличный капитал, навсегда оставляет столицу и отправляется в российскую глубинку, чтобы «устроить там цивилизацию». Клавдия начинает дело с открытия казино в небольшом поселке городского типа, встречая холодное отношение к ней местных жителей. Но героиня Вдовиной находит в себе силы выстоять, вопреки козням врагов и неудачам в личной жизни. Следом была небольшая роль Анны в фильме «Убить вечер» (2003), Елены Старковой в сериале «Таксист». Успешной для Вдовиной оказалась главная роль в комедии «Мымра» (2008), где она сыграла вместе с Владимиром Вдовиченковым. Наталия сыграла преуспевающую бизнес-вумен, которая решает устроить свою личную жизнь и неожиданно встречает бывшего сокурсника. Но вот беда — на работе ее ненавидят. Чтобы избавиться от образа «мымры», Вдовина устраивается к сокурснику в качестве домработницы домой. Любовная комедия Сергея Пикалова приносит актрисе дополнительную популярность. Известность также приносит ей и приглашение сниматься в рейтинговом проекте «Кремлевские курсанты» (2009 — 2010). В этом проекте о жизни курсантов она сыграла медсестру Светлану Мамину. С 2009 года Наталия Вдовина — главная героиня телесериала «Суд». Успех среди массового зрителя приносят ей также сериалы «Исаев» (2009) и «Ласточкино гнездо» (2012).
Важное место в жизни Вдовиной занимает театр, актриса получила немало наград за работу в спектаклях. Художественный руководитель Константин Райкин так отзывается об актрисе: «Наташа Вдовина – существо ботичеллиевское, но со стальным характером. Такую внешность уже редко можно встретить. В ней есть изначальная духовность, и при этом она – совершенно земное существо. У нее театральный характер, непотопляемый… И если у нее что-то не получается, она не опускает руки, не вовлекает в свои проблемы остальных. Есть стальная воля, настроенность на работу и нет тщеславия».
Наталия Вдовина замужем, у нее двое детей, сын Роман и дочь Майя.
