Родилась в 1982 году в Нижнем Новгороде, одном из самых крупных городов России. Своего отца Наталья совсем не знала. Девушка рано научилась самостоятельности и уже в 15 лет жила отдельно от семьи.
Однажды один из друзей будущей звезды порекомендовал ее в местное модельное агентство. Шестнадцатилетняя Наталья, несмотря на юный возраст, чувствовала себя особенной: как она сама признавалась позже, фэшн-индустрия притягивала ее не только как возможностью быстро заработать деньги и прославиться. Интуиция подсказывала Водяновой, что ее профессиональный путь будет связан именно с миром моды.
Внутренний голос оказался прав: вскоре после того, как Наталью взяли в агентство, в город приехали Алексей Васильев и Георгий Джикидзе, представители модельного бизнеса с Запада. Они проводили кастинг в Нижнем Новгороде, и Водянова не собиралась упустить такой шанс: она долго готовилась к важному дефиле, специально перешивала свою одежду. В отборе участвовали не менее ста девушек, однако профессиональный взгляд Васильева остановился именно на очаровательной Водяновой. Он счел черты ее лица «суперновыми» и предрек ей большое будущее в индустрии моды.
Именно Васильев обеспечил Наталье место в серьезном московском агентстве Viva и пообещал карьеру в Париже при условии, что она как можно скорее выучит английский язык. Он же предоставил ей возможность сняться для российского отделения журнала Vogue. В 1999 году Водянова приняла участие в конкурсе парижского Madison, где ее заметил известный модельер Жан-Поль Готье. Именно тогда началась карьера Натальи в мире высокой моды. Спустя всего два года после этого конкурса американский W magazine признал ее самой громкой сенсацией современного модельного мира.
В 2012 году Водянова дебютировала на большом экране с лентой «Влюбленные». Она снималась в кино и ранее, но обычно получала незначительные и практически незаметные роли. Так, в 2003-м сыграла в фильме «Агент "Стрекоза"» вместе со знаменитыми Жераром Депардье и Джереми Дэвисом. В 2010-м модель отметилась в блокбастере «Битва титанов», правда, ее практически невозможно узнать из-за слоя грима и компьютерной графики. Водянова исполнила роль Медузы Горгоны.
Несмотря на насыщенный рабочий график, Наталья находит время для семьи: по признанию окружающих, она прекрасная мать для своих сыновей Лукаса и Виктора и прелестной дочери Нева.
