Родилась 22 июня 1947 года в портовом городе Констанца на юге Румынии, в семье капитана судна дальнего плавания и внучки известного французского инженера и геолога Барбота де Марни. Редкая фамилия досталась девочке от предков из Уэльса.
Наталья с детства подавала большие надежды: в четыре года писала стихи, была очень развитой для своего возраста – поэтому родители позаботились об ее музыкальном и художественном образовании.
Свой артистический талант Варлей проявила весьма неожиданным образом. В конце 50-х, когда семья переехала в Москву, она узнала о наборе детской цирковой группы, втайне от родителей приняла участие в отборе и была принята. Именно тогда начался долгий путь Натальи ко всесоюзной славе. В цирке она познакомилась с известным мимом – Леонидом Енгибаровым. Эта встреча изменила судьбу Варлей: Леонид, не только отличный цирковой артист, но и киноактер, имел прекрасные связи в кинематографической богеме. Он обратил пристальное внимание на прелестную эквилибристку, когда-то выступавшую вместе с ним на манеже, и предложил ее кандидатуру на небольшую роль в фильме Георгия Юнгвальда-Хилькевича «Формула радуги». Так 1966 году Наталья впервые попала на киностудию. Ленту сняли, но она была запрещена к показу и пролежала на полке киностудии более 20 лет, прежде чем была цензура не дала наконец зеленый свет.
Съемки в картине навсегда определили будущее Варлей: ассистентка Леонида Гайдая пригласила талантливую девушку на пробы в культовый фильм «Кавказская пленница». Из пятисот претенденток на роль «спортсменки, комсомолки и просто красавицы» Нины режиссер профессиональным глазом выбрал девятнадцатилетнюю Наталью, открыв перед ней, таким образом, двери в большое кино.
После окончания съемок Варлей оставила цирк и поступила в Высшее театральное училище имени Б.В. Щукина. В 1971 году их пути с Гайдаем снова пересеклись – на съемочной площадке «12 стульев». К тому времени за плечами актрисы были роли в фильмах «Вий» и «Семь невест ефрейтора Збруева».
В 1970-80-х годах Варлей продолжала сниматься в кино, однако картины с ее участием не пользовались прежней популярностью ни среди публики, ни у критиков. В 1990-х актриса вовсе перестала показываться на экранах. Сама она поясняла: ей перестали поступать достойные предложения. Последняя заметная работа Натальи – лента «Волшебник Изумрудного города», в которой она исполнила злых колдуний Бастинду и Гингему.
На сегодняшний день фильмография Натальи Варлей насчитывает более 40 фильмов. Кроме того, она продолжает играть в театральных постановках. В 2009 году ее можно было увидеть на телеэкранах в проекте «Две звезды» вместе с Николаем Гнатюком.
