Наталья Фатеева родилась 23 декабря 1934 года в Харькове. Ее отец был военнослужащим, мать возглавляла ателье мод. В 1952–1954 годах училась в Харьковском театральном институте. В 1956-м поступила во Всесоюзный государственный институт кинематографии (ВГИК), сразу на 4-й курс, который вели Сергей Герасимов и Тамара Макарова. Будучи студенткой театрального института, стала первым диктором Харьковской любительской телестудии.
В 1956 году на Киностудии им. Довженко состоялся ее дебют в кино. Актриса сыграла роль Тани Олениной в фильме «Есть такой парень» режиссера Виктора Ивченко. В середине 1950-х годов Фатеева познакомилась с режиссером Владимиром Басовым, ставшим впоследствии ее мужем. В 1957 году она сыграла одну из главных ролей в его фильме «Случай на шахте восемь». В годы учебы также снималась в картинах «Капитан "Старой черепахи"» Всеволода Воронина и Генриха Габая и «Дело "пестрых"» Николая Досталя.
По окончании ВГИКа проработала год в Театре-студии киноактера (ныне Государственный театр киноактера), после чего ее пригласили в Театр имени М.Н. Ермоловой. На его сцене актриса сыграла главные роли в спектаклях «Два упрямца» Назыма Хикмета и «Три товарища» Эриха Марии Ремарка. В 1961 году вернулась в Театр-студию киноактера, где впоследствии проработала много лет.
В 1960-х годах Фатеева снялась в картинах «Битва в пути» Владимира Басова и «Наш общий друг» Ивана Пырьева. Популярность актрисе принесла роль дрессировщицы Зои в комедии Генриха Оганесяна «Три плюс два» (1963 год, по пьесе Сергея Михалкова «Дикари»), где ее партнерами были Андрей Миронов, Евгений Жариков, Геннадий Нилов и Наталья Кустинская.
Затем играла в картинах «Дети Дон-Кихота» Евгения Карелова, «День ангела» Станислава Говорухина и др. Одной из лучших в своей кинокарьере Наталья Фатеева считает роль Люси в художественном фильме «Здравствуй, это я» Фрунзе Довлатяна.
В ее творческой биографии более 70 разноплановых ролей. Среди них: Людмила в картине «Джентльмены удачи» Александра Серого, завуч в дебютном фильме Владимира Меньшова «Розыгрыш», Ирина Соболевская в сериале Станислава Говорухина «Место встречи изменить нельзя», Алла в телефильме Константина Худякова «С вечера до полудня», Матильда Кшесинская в картине Эмиля Лотяну «Анна Павлова» и др.
Среди последних киноролей актрисы — Дарья Меньшикова в историческом сериале «Тайны дворцовых переворотов» (2001) Светланы Дружининой, Джейн в «Кавалерах Морской Звезды» (2004) Евгения Звездакова, мать конструктора Сергея Королева в драме «Королев» (2007) Юрия Кары. Также снималась в киноальманахе «Москва, я люблю тебя!» (2009). Занималась дублированием иностранных фильмов, выходящих на советские экраны. Озвучивала Барбару Брыльску, Софи Лорен, Катрин Денев и др.
Награждена орденом Почета (1999). Является народной артисткой РСФСР (1980). Награждена медалями «Защитнику свободной России» (1996) и Александра Невского «За труды ради Отечества» (2005). В 2011 году на фестивале «Виват кино России!» удостоена награды «Немеркнущая зрительская любовь». В 2014-м получила премию «Ника» за лучшую женскую роль второго плана в фильме «Летящие по ветру листья» Валерия Харченко.
