Родилась Наталья Фатеева в 1934 году в Харькове. Училась в Харьковском театральном институте и позже закончила ВГИК.
Работала в Театре-студии киноактера. Играла в театре имени М. Н. Ермоловой и Государственном театра киноактера. Она воплотила на сцене образы Патриции в «Трех товарищах» Эриха Марии Ремарка и Даши в «Двух упрямцах» Назыма Хикмета.
В 1956 году Наталья Фатеева начала сниматься в кино, сыграв Таню Оленину в фильме «Есть такой парень». В ее фильмографии в этот период также фильмы «Капитан “Старой черепахи”», «Дело “пестрых”, “Случай на шахте восемь”, “Наш общий друг”, “Битва в пути”.
Одна из самых успешных ролей Натальи Фатеевой — образ артистки цирка, укротительницы тигров Зои в фильме Генриха Оганесяна «Три плюс два». Актриса считалась одной из первых красавиц советского кинематографа. На съемках фильма ею увлекся актер Андрей Миронов.
После Фатееву приглашали в комедийные и музыкальные ленты: «Песни моря», «Джентльмены удачи», «Табачный капитан», «Летние сны», «Человек с бульвара Капуцинов» и другие.
В фильме Фрунзе Довлатяна «Здравствуй, это я» она сыграла Люсю, погибшую на войне девушку ученого-физика Артема, образ которого воплотил на экране Армен Джигарханян. Эту роль часто называют визитной карточкой актрисы.
Снималась Наталья Фатеева и в картинах «День ангела», «Розыгрыш» сериалах «Место встречи изменить нельзя», «Тайны дворцовых переворотов», кинолентах «Королев», «Москва, я люблю тебя!».
За роль в драме «Летящие по ветру листья» получила премию «Ника» в номинации «Лучшая женская роль второго плана». В 1980 году Наталья Фатеева удостоена звания Народная артистка РСФСР, в 2000 году ее наградили орденом Почета.
В 2005 году актрисе вручили награду общественного признания — медаль Святого Александра Невского «За труды ради Отечества».
Наталья Фатеева была несколько раз замужем, родила двоих детей: сына в браке с режиссером Владимиром Басовым и дочь в браке с космонавтом Борисом Егоровым.
