Актриса, заслуженная артистка России Наталья Владимировна Варлей родилась 22 июня 1947 года в румынском городе Констанца в семье капитана дальнего плавания. Ее детство прошло в Мурманске, а в конце 1950-х годов семья Варлей поселилась в Москве.

В 1965 году Варлей окончила Училище циркового и эстрадного искусства и пришла в труппу Московского цирка на Цветном бульваре. Работала эквилибристкой. Некоторое время выступала в одном номере со знаменитым клоуном Леонидом Енгибаровым: танцевала на трапеции с кастаньетами, сидя на стульчике, играла на концертино.

Именно благодаря Енгибарову Варлей попала в кино. В 1966 году на одно из ее выступлений пришел друг Енгибарова режиссер Одесской киностудии Георгий Юнгвальд-Хилькевич. Варлей настолько понравилась режиссеру, что он предложил ей сняться в его новом фильме "Формула радуги". Наталье досталась небольшая роль медсестры, но картину на экран тогда так и не выпустили. Однако на съемках фильма на Варлей обратила внимание ассистентка Леонида Гайдая, который в те дни готовился к съемкам картины "Кавказская пленница". Варлей пригласили на пробы.

На роль студентки-комсомолки Нины в фильме претендовали около 500 актрис, среди которых были такие звезды советского кино, как Наталья Фатеева, Наталья Кустинская, Валентина Малявина. Однако Гайдай решил остановиться на никому не известной 19-летней цирковой артистке.

Премьера "Кавказской пленницы" состоялась в Москве 1 апреля 1967 года. Успех картины был оглушительным. Варлей покорила сердца зрителей своей красотой и обаянием. Песню "спортсменки, комсомолки и просто красавицы" Нины о белых медведях пела вся страна.

После съемок в фильме "Кавказская пленница" Варлей покинула цирк и поступила в театральное училище имени Щукина.

В конце октября 1967 года на экраны вышла картина Константина Ершова и Георгия Кропачева "Вий", в которой Варлей сыграла роль Панночки. Это был первый фильм ужасов в отечественном кино.

В конце 1960-х годов актриса также снялась в таких картинах, как "Семь невест ефрейтора Збруева", "12 стульев".

В 1971 году Варлей окончила Щукинское училище и была приглашена в труппу Драматического театра имени Станиславского, в котором проработала следующие семь лет своей жизни, исполнив множество разноплановых ролей.

В 1970-80-е годы Варлей много снималась. Среди картин тех лет - "Большой аттракцион" (1974), "Соло для слона с оркестром" (1976), "Мой папа - идеалист" (1980), "Не хочу быть взрослым" (1982), "Гостья из будущего" (1984).

Заметной работой Варлей в кино в 1990-е годы был фильм "Волшебник Изумрудного города" (1994), где она сыграла сразу двух ведьм: Гингему и Бастинду.

С середины 1990-х годов Варлей практически перестала сниматься в кино, но согласилась дублировать многочисленные сериалы. Всего она озвучила и продублировала около 2 тысяч ролей, в том числе роль Вероники Кастро в сериале "Дикая Роза", который имел оглушительный успех на территории постсоветского пространства.

В 2006 году актриса вернулась в мир большого кино с ролью матери Кендарат в фильме "Волкодав", главные роли в котором исполнили Александр Бухаров, Оксана Акиньшина и Александр Домогаров.

Варлей пишет стихи, в 1994 году окончила факультет поэзии Литературного института. Автор стихотворных сборников "Любовь" и "Кружась над золотыми куполами".

Вместе с композитором Николаем Шершенем в 1990-х годы выпустила четыре альбома в жанре авторской песни: "На высшей точке единения", "Не умирай, любовь", "Живая вода", "Не оборвись во мне струна... ".

Весной 2009 года в дуэте с Николаем Гнатюком приняла участие в телепроекте "Две звезды".

Лауреат Государственной премии России. Награждена Орденом дружбы.

Варлей - мать двух сыновей: Василия (1973), который родился в браке с Владимиром Тихоновым, сыном актеров Нонны Мордюковой и Вячеслава Тихонова; и Александра (1986).