Наталья Варлей родилась 22 июня 1947 года в румынском городе Констанца в семье капитана дальнего плавания. Детство Натальи прошло в Мурманске, а в конце 1950-х семья Варлей переехала в Москву.

В 1965 году Наталья Варлей окончила Училище циркового и эстрадного искусства и начала ездить с гастролями по стране.

В Одессе Варлей выступала в одном номере с великим клоуном Леонидом Енгибаровым, благодаря которому она попала в кино. Однажды на одно из выступлений Натальи пришел режиссер Одесской киностудии Георгий Юнгвальд-Хилькевич. Варлей ему очень понравилась, ей предложили сняться в его новом фильме «Формула радуги». Хотя картину на экран тогда так и не выпустили, Варлей не осталась не замеченной.

Так, благодаря ассистентке Леонида Гайдая, который в те дни готовился к съемкам картины «Кавказская пленница», Наталью пригласили на пробы.

На роль студентки-комсомолки Нины в фильме претендовали около пятисот актрис, среди которых были такие звезды советского кино, как Наталья Фатеева, Наталья Кустинская, Валентина Малявина и др. Однако Гайдай решил остановиться на никому не известной цирковой артистке, 19-летней Наталье Варлей.

Премьера «Кавказской пленницы» состоялась в апреле 1967 года. Успех картины был оглушительным, а Наталья Варлей покорила сердца зрителей на долгие годы.