Актриса Наталья Варлей родилась в семье капитана дальнего плавания 22 июня 1947 года в городе Констанца (Румыния). Вскоре семья переехала в Мурманск и именно там прошли детские годы будущей советской звезды. Наталья была очень умным и талантливым ребенком, но по состоянию здоровья ей запрещались физические нагрузки. Тем не менее, когда девочке исполнилось 11, семья Варлей переехала жить в Москву, и там Наташа тайком от мамы записалась в цирковую студию.
С 1965 года Варлей устроилась работать эквилибристкой в Московском цирке, там произошло ее роковое знакомство с Леонидом Енгибаровым, который помог девушке прорваться в среду киношников. Волей случая Наташа попала на пробы в «Кавказскую пленницу», но видимо, это судьба – ее утвердили на роль. После оглушительной премьеры, как снег на голову, на Наталью Варлей свалилась слава. После такого новоиспеченной звезде ничего не оставалось, как бросить цирк и поступить в «Щуку». 1967 год – фильм «Вий», пожалуй, первый фильм ужасов советского кино, увенчался успехом у зрителей.
1969 год ознаменовался замужеством Варлей, ее избранником стал однокурсник, сын известных актеров, Владимир Тихонов. Окончив учебу, Наталья пошла в театр, в труппу им. Станиславского, но вскоре родила сына Василия. Через месяц после родов Варлей вернулась на сцену, вскоре брак с Тихоновым распался. Спустя некоторое время у Варлей родился второй сын Александр.
Поздние работы в кино не принесли Наталье такую славу, которая смогла бы затмить образ Нины из «Кавказской пленницы». Несколько лет назад актриса вышла замуж за молодого человека, имя и профессия которого Варлей старается не разглашать.