Actrice espagnole, Natalia de Molina a été remarquée dès 2013 dans Vivre est facile avec les yeux fermés (Trueba) qui lui offre un Goya de la meilleure révélation féminine. Elle enchaîne avec la série télévisée Bajo sospecha en 2014. Puis elle est à nouveau récompensée aux Goya pour sa performance dans Techo y comida (del Castillo, 2015) qui lui offre la statuette de la meilleure actrice.
Ensuite, elle joue dans la comédie romantique Kiki : l’amour en fête (Léon, 2016), le film d’horreur No dormirás (Hernandez, 2018) et le thriller Sans entraves (Linares, 2018). Plus récemment, on l’a revue en tête d’affiche de 522. Un gato, un chino y mi padre (Baños, 2019), Adiós (Cabezas, 2019) et surtout Las niñas (Palomero, 2020).
