В кино с 1966 года, в театре имени Станиславского — с 1971.
Премьера "Кавказской пленницы" состоялась в Москве 1 апреля 1967 года. На роль студентки-комсомолки Нины в фильме претендовали без малого около пяти сотен актрис, среди которых были такие звезды советского кино, как Наталья Фатеева, сестры Вертинские, Наталья Кустинская, Валентина Малявина, Вика Федорова и др. Однако Гайдай после долгих раздумий решил остановиться на никому тогда не известной цирковой артистке, 19-летней Наталье Варлей.
Последние годы Наталья Варлей оставила работу в кино — последним ее фильмом в 2006 году стал «Волкодав из рода Серых Псов».
Сегодня играет в антрепризе, ездит на гастроли.
Последние шесть лет не замужем. Первым мужем был актер Бурляев. Ухаживал за Натальей сын министра
обороны Бельгии Люсьен Хармегинс. Но она выбрала другого - сына Вячеслава Тихонова и Нонны Мордюковой (от этого брака родила старшего сына). Имя отца второго ребенка скрывает.
Некоторое время работала в театре "О'кей". Вышли 3 компактдиска с её песнями, два сборника стихов. Занималась дубляжом и озвучением иностранных фильмов и телесериалов, в частности, озвучивала прогремевшую на всю страну «Дикую Розу».Вела передачу "Домашние
хлопоты" на телеканале РТР.
Весной 2009 года в дуэте с Николаем Гнатюком приняла участие в телепроекте "Две звезды".
Мать двух сыновей: 25 и 11 лет, бабушка почти двухлетнего внука. Кроме того у нее 11 кошек, собака и черепаха. В общем, не унывает и мечтает: «Если мне суждено еще сниматься, то пусть это будут картины, за которые мне не будет стыдно перед моими детьми и зрителями»
