Actrice russe née en Roumanie, Natalia Varley a débuté sa carrière comme gymnaste dans un cirque. Elle est repérée par le réalisateur Leonid Gaïdaï pour tenir le rôle principal de la comédie populaire La Prisonnière du Caucase ou les Nouvelles aventures de Chourik (1966). Elle est ensuite sélectionnée pour incarner la sorcière de Vij ou le diable (Erchov, Kropatchev, 1967) grâce à ses capacités athlétiques. Ces deux énormes succès lancent sa carrière.
Natalia Varley tourne ensuite dans La fuite (Aleksandr Alov, Vladimir Naumov, 1971) et Les douze heures (Gaïdaï, 1971). Elle joue dans plusieurs téléfilms au cours des années 70, mais aucun de ses films suivants ne parvient jusqu’à nous. Elle tourne relativement peu, avec parfois de longues interruptions. On la retrouve en 2006 dans Wolfhound, l’ultime guerrier (Lebedev) qui est son dernier rôle avant une retraite bien méritée.