Наталья Фатеева родилась 23 декабря 1934 года в Харькове. Ее родители были далеки от искусства: отец являлся военнослужащим, а мать занимала пост директора ателье. Семья была артистичной, поэтому неудивительно, что Наталья с ранних лет мечтала стать актрисой. Она постоянно пропадала на спектаклях оперного театра, а многие арии знала наизусть. Родители мечтания дочери не поддерживали, считая, что актерство - не ее путь. Однако в музыкальную школу ее все-таки отдали. Большой трагедией для молодого дарования стал отказ в приеме в школьный драматический кружок из-за слишком высокого роста. В школьные годы актриса хорошо училась, активно занималась легкой атлетикой – имела титул чемпионки города по толканию ядра и по прыжкам в длину и высоту.
После школы Фатеева подала документы в Харьковский театральный институт вопреки советам родителей. Поступила легко и поначалу все складывалось замечательно – она получала именную стипендию за отличную учебу, была приглашена на работу на местное телевидение. Но вскоре ее отчислили из института, и девушка отправилась покорять Москву. Она поступила во ВГИК – ее взял в свою мастерскую знаменитый Сергей Герасимов, зачислив сразу на 4 курс. В 1956 году актриса дебютировала в кино, снявшись в роли Тани Олениной в фильме «Есть такой парень». В числе ее первых киноработ небольшие роли в фильмах «Капитан «Старой черепахи» и «Дело «пестрых». На съемках ленты «Случай на шахте восемь» актриса познакомилась со своим первым мужем – режиссером Владимиром Басовым и родила сына Владимира (1959).
После завершения обучения в 1958 году Фатеева поступает на службу в Театр-студию киноактера, где она проработала всего год, после чего ушла в Театр им. Ермоловой, получив сразу две главные роли в спектаклях «Два упрямца» и «Три товарища». Ее стали приглашать в кино – большая загруженность на съемочной площадке не позволила актрисе полноценно работать в театре, и она снова оказалась в Театре-студии киноактера, где проработала много лет.
Всенародная любовь настигла актрису после выхода на экраны комедии «Три плюс два», где она сыграла укротительницу Зою в команде с Натальей Кустинской, Андреем Мироновым, Геннадием Ниловым и Евгением Жариковым. Именно с этого фильма начался взлет ее карьеры. Она постоянно снималась, в 1960-е выходят ленты «Здравствуй, это я!» Фрунзе Довлатяна, «Дети Дон Кихота» Евгения Карелова, «День ангела» Станислава Говорухина, где Фатеева исполняет главные роли. В этот же период она второй раз выходит замуж – за летчика-космонавта Бориса Егорова. Брак просуществовал недолго – после рождения дочери Егоров ушел к актрисе Наталье Кустинской, что послужило причиной многолетней вражды двух ярчайших актрис советского кино.
Фатеева не только активно снималась в кино – она принимала участие в записи радиопостановок «Джамиля», «Конец сказки», «Хочу верить». Она известна и своей общественной деятельностью. Является активной участницей политических объединений: являлась членом партии «Демократический выбор России» и СПС, в настоящее время активно участвует в деятельности движения «Солидарность».
