Actrice russe et soviétique, Natalia Medvedeva est née dans une famille d’artistes de Saint-Pétersbourg, sa mère étant actrice et son père écrivain. À la fin des années 30, alors que son père est exécuté par le régime stalinien, elle entre à l’Académie des arts du théâtre d’État de Saint-Pétersbourg où elle apprend à jouer la comédie. Au cours des années 40, elle joue sur les scènes moscovites où elle a déménagé avec son époux.
Mais c’est dans les années 50 qu’elle est sollicitée au cinéma. On la voit dans La moisson (Poudovkine, 1953) où elle tient le rôle féminin principal. Même chose pour Le géant de la steppe (Ptouchko, 1956) qui connaît un gros succès international. On la retrouve ensuite dans un rôle plus modeste dans Le rescapé (Guerassimov, 1962). Si l’on excepte le film Prestuplenie (Tashkov, 1976), elle a passé le reste de sa carrière à tourner pour la télévision. Elle abandonne finalement les plateaux en 1979 pour se consacrer à plein temps à sa famille.
Natalia Medvedeva décède en 2007 à l’âge de 91 ans.