Актриса, Заслуженная артистка России, артистка театра и кино, цирковая артистка. Большинству она известна по блестяще сыгранной ею роли панночки в фильме «Вий», снятом по повести Н.В. Гоголя, а также по фильму «Кавказская пленница».
Варлей родилась в Румынии. Ее отец был моряком. По семейному преданию, предки Варлей приехали в Россию из Уэльса. В детстве Наташа писала стихи, занималась музыкой. Однажды, посетив с матерью цирковое представление, она твердо решила, что станет циркачкой, и в тайне от родителей поступила в цирковую студию, а в 1965 году окончила Училище циркового и эстрадного искусства и пошла работать в Цирк на Цветном бульваре в Москве. Она была эквилибристкой.
В кино Варлей попала благодаря известному клоуну Л. Енгибарову, который познакомил ее с разными режиссерами. Кинодебют Варлей состоялся в картине «Формула радуги», где она сыграла медсестру. Варлей заметили и пригласили на пробы в картину Л. Гайдая «Кавказская пленница» на роль Нины. Наталье было всего 19 лет. Картина вышла в 1967 году. После нее Варлей стала популярна. После картины Варлей оставила цирковое училище и поступила в Театральное училище им. Щукина.