Получив аттестат, будущая актриса стала студенткой дирижёрско-хорового училища, но на третьем курсе один из педагогов уговорила Наталью попробовать поступить во Всесоюзный Государственный институт кинематографа на актёрский факультет. И ей это удалось.
Первая же роль в кино сделала Наталью Величко невероятно популярной. В 1963 году на широкий экран вышла картина Владимира Басова «Тишина», в которой зрители увидели молодую необычайно привлекательную и талантливую актрису в образе Аси Вохминцевой. Благодаря этой роли она стала участницей нескольких международных фестивалях, а это удивительная удача для дебютантки.
Позднее были работы в фильмах «Третья молодость», «Первый снег», «Друзья и годы». Но повторить успех так и не получилось.
Тогда Наталья Величко решила попробовать себя в качестве кинорежиссёра, но ей удалось поставить всего 2 фильма: «Служба ликвидации» (дипломный проект), «Ураган приходит неожиданно». Вторая работа была достаточно успешной у публики, но она же и поставила крест на её режиссёрской карьере. Дело в том, что лента была снята по сценарию запрещённого в то время автора Анатолия Сафронова.
В конце восьмидесятых актриса фактически сидела без дела: в кино её не приглашали, снимать свои картины запретили. Именно в тот период Наталья встретила своего будущего мужа Николая. Он увлечённо изучал историю императорского палестинского общества, а позже стал доктором исторических наук. Величко немало помогала ему в работе.
В последние годы, хотя и довольно редко, актриса снова начала появляться на экране. В 1997 году вышел фильм «Принцесса на бобах» с Сергеем Жигуновым и Еленой Сафоновой в главных ролях, в съёмках которого приняла участие и Величко. А ещё через 8 лет зритель увидел популярный телесериал «Охота на изюбря», в котором она также сыграла второплановую, но запоминающуюся роль.
