Родилась 10 мая 1950 года в Москве. Ее отец – режиссер Сергей Бондарчук, а мать - актриса Инна Макарова. В итоге Наталья пошла по стопам родителей и в 1971-м году окончила актерский факультет ВГИК, пройдя мастерскую Сергея Герасимова и Тамары Макаровой. Но уже в период учебы (в 1970 году) она снялась в картине «У озера», а после - в фильмах «Пришел солдат с фронта» и «Ты и я». А в 1972-м году с ее участием на экраны вышла лента Андрея Тарковского «Солярис», благодаря которой на Наталью обратили внимание многие режиссеры. В последующие годы к ней стали поступать предложения об участии в новых проектах. Но Наталья не стала активно окунаться в съемки и избирательно относилась к ролям, сыграв за всю свою актерскую карьеру в около тридцати фильмах, среди которых наиболее заметные ленты - «Звезда пленительного счастья», «Красное и черное», «Юность Петра», «В начале славных дел», «Лермонтов», «Юность Бемби» и «Пушкин: Последняя дуэль».
Еще на заре актерской карьеры в 1975-м году Наталья Бондарчук также окончила и режиссерский факультет ВГИКа. В том же году она дебютировала в качестве режиссера с короткометражкой «Бессчастная Матренка», вошедшей в альманах «Пошехонская старина». Первой ее большой работой стал фильм «Живая радуга», снятый по роману Носова. Но наибольшая известность пришла к ней благодаря сценариям, созданным в 1980-х годах в соавторстве с писателем Юрием Нагибиным, – «Детство Бемби» и «Юность Бемби». Эти детские фильмы были удостоены ряда наград, а сама Наталья впоследствии стала руководителем детского театра «Бемби».
В 90-х годах Наталья Бондарчук стала снимать документальные фильмы, посвященные семье и мировоззрению Николая Рериха: «Просите, и будет вам» и «Господи, услышь молитву мою». Также позднее она сняла сериал «Одна любовь души моей», повествующий о судьбах Александра Пушкина и Марии Волконской, и картину «Пушкин: Последняя дуэль».