Natalija gimė Rumunijoje, jūrų kapitono, vėliau tapusio Murmansko meru, bei tolimos Aleksėjaus Tolstojaus giminaitės šeimoje.
N. Varlej buvo labai artistiškas vaikas, ketverių ėmė kurti eilėraščius, tapė bei mokėsi muzikos. Kai šeima persikraustė į Maskvą, mergaitė pradėjo lankyti cirko būrelį. Vėliau dėl sveikatos problemų jai teko pristabdyti veiklą, kuri reikalauja fizinių jėgų. Tačiau vėliau ji prisijungė prie cirko trupės kaip ekvilibristė.
1965 metais, kuomet trupė buvo apsistojusi Odesoje, N. Varlej susipažino su legendiniu rusų klounu bei aktoriumi Leonidu Jengibarovu. Šis parūpino jai antraplanį vaidmenį draugo filme. Vėliau ją ten pastebėjo Leonido Gaidajaus asistentas, kuris pakvietė paauglę į filmo "Kaukazo belaisvė" atrankas.
Iš 500 pretendenčių, tarp kurių buvo ir žinomų aktorių, pagrindiniam vaidmeniui atrinkta buvo būtent 19-metė N. Varlej.
"Taigi atėjau į Mosfilm studiją, perskaičiau scenarijaus ištrauką. Suvaidinau epizodą su asilu. Tada L. Gaidajus paprašė nusirengti ir pasirodyti su maudymosi kostiumėliu. Aš sutikau, visi buvo šokiruoti. Rusai tuo metu buvo labai nedrąsūs, kuklūs žmonės. Tačiau man maudymukas buvo lyg cirko kostiumas, buvau prie to pratusi. Tad nusifilmavau ir, manau, tai lėmė režisieriaus sprendimą," - prisimena N. Varlej.
Tačiau Natalija ir jos herojė Nina buvo visiškos priešingybės.
"Ji buvo sukurta kaip labai savimi pasitikinti, optimistė. Tačiau aš visuomet buvau tylenė, svajoklė ir romantikė. Tad L. Gaidajui teko mane perlaužti, paversti tikra "komsomolka, sportsmenka"," - juokiasi aktorė.
1967-ųjų balandžio 1 dieną pasirodžiusi komedija "Kaukazo belaisvė" Natalija žvaigžde pavertė per vieną dieną. Jaunai merginai buvo skiriamas nežmoniškai didelis spaudos dėmesys, gerbėjai būriais plūdo į jos cirko pasirodymus.
N. Varlej už Ninos vaidmenį gavo vos 300 rublių, o aktorės šlovė negesta iki šiol.
1967 metais N. Varlej ištekėjo už aktoriaus Nikolajaus Burliajevo, nors tuo metu dėl jos iš proto ėjo bendramokslis Leonidas Filatovas. Santuoka nebuvo laiminga ir truko trumpiau nei metus. Antruoju aktorės vyru tapo aktorius Vladimiras Tikonovas. 1972-aisiais N. Varlej susilaukė sūnaus Vasilijaus, tačiau dar prieš vaikelio gimimą išsiskyrė antrąkart.
1986 metais Natalija pagimdė dar vieną berniuką, kurį pavadino Aleksandru, tačiau jo tėvo asmenybės taip niekam ir neatskleidė.
1999 metais N. Varlej atšoko trečias vestuves. Spaudai apie vyrą pasakė tik tiek: "Jo vardas Vladimiras ir jis tikrai nėra aktorius", tačiau ir ši santuoka ilgai netruko.
N. Varlej anksčiau ir dabar - nuotraukų albume: