Наталия Антонова родилась 12 марта 1974 года в Москве в семье военного. После окончания средней школы она поступила в Щукинское театральное училище на курс Марины Александровны Пантелеевой. Родители Наталии, будучи далекими от драматического искусства, восприняли эту новость довольно скептически. Но девушка так загорелась мечтой об актерской карьере, что ее примеру последовали младшая сестра Светлана и даже двоюродный брат Олег. За год до получения диплома Наталия устроилась в Московский драматический театр им. Н. В. Гоголя. На его сцене она сыграла Сашу из первой пьесы А. П. Чехова «Иванов». Дебют оказался крайне успешным, и, как только актриса окончила вуз, ее официально приняли в штатную труппу театра. Антонова проработала здесь вплоть до 2012 года, успев поучаствовать в нескольких постановках.
Кинематографическая карьера Наталии началась в 1997 году. Ее дебютной ролью стал малоприметный персонаж из комедии Владимира Мирзоева «Учительница первая моя, или мальчишник по-русски». В том же году она снялась в драматической ленте «На заре туманной юности», повествующей о жизненном пути поэта Алексея Кольцова. Наталия сыграла девушку по имени Вера Лебедева. Позднее актриса стала все чаще появляться в телевизионных сериалах, большинство из которых транслировалось центральными каналами России. Так, она предстала в образе Элины Бартош в детективе «Каменская», а затем Ирины Хавкиной в «Трое против всех». Настоящая известность настигла актрису благодаря сериалу «Другая жизнь», где она сыграла Полину Маслову, подругу главной героини, решившую покуситься на ее домашний очаг и увести мужа. Практически все последующие роли Антонова исполнила именно в телевизионных проектах.
Любовные перипетии, так часто показываемые на экране, не оставляют Наталию и в реальной жизни. Ее первый брак с коллегой по актерскому цеху Александром Вершининым продлился пять лет. У супругов появился сын Артем. Вторым мужем Наталии стал врач-гинеколог Николь Семенов, от которого она родила еще двоих сыновей Никиту и Максима. Мать четверых мальчишек живет с большой семьей за городом и мечтает о дочери. Несмотря на многочисленные домашние обязанности, она успевает работать в телевизионных проектах. Последним из них стал сериал «Генеральская сноха» режиссера Анатолия Матешко, вышедший на экран в апреле 2013 года.
