本名はNatalie Hershlag。医師の父親とアーティストの母親の間に生まれる。ＮＹにあるパブリック・スクールでのダンス・レッスンの帰りに、エージェントにスカウトされたのをきっかけに俳優としての道を進むことになる。以後、ＭＴＶの子供向け番組に出演。２０００人の候補者の中から「レオン」のマチルダ役を射止め華々しいデビューを飾った。以後順調に経歴を積み、「スター・ウォーズ エピソード１／ファントム・メナス」では“クィーン・アミダラ”役を演じた。９９年からは名門ハーバード大学に進み心理学を専攻、０３年６月にみごと卒業をした。そして０４年、彼女は女優人生の大きな節目を迎える。この年、俳優ザック・ブラフの監督デビュー作「終わりで始まりの４日間」に出演、この作品でヒロイン、サム役を魅力的に演じた彼女は各方面から絶賛され、女優として確かな評価を獲得する。続くマイク・ニコルズ監督の恋愛映画「クローサー」では、それまでの清純派イメージを脱ぎ捨てストリッパー役に果敢に挑戦、共演のジュリア・ロバーツ、ジュード・ロウらに負けない存在感と演技力を披露、再び高い評価を受ける。この演技でナタリーは、アカデミー賞の助演女優賞で初のオスカー・ノミネートを受けると共に、ゴールデン・グローブ賞ではみごと助演女優賞を獲得するなど、本格的な女優として大きな飛躍を遂げた。