Наталья появилась на свет в необычной семье. Ее отец, Владимир Викторович, был не просто флотским офицером, участником Великой Отечественной войны, но и потомком валийских иммигрантов, осевших в России еще в ХIХ веке. Мама, Ариадна Сергеевна, являлась внучкой потомственного горного инженера, француза по происхождению. Также в семействе позднее родилась младшая дочь Ирина, со временем увлекшаяся театром, но не сделавшая это своей основной профессией. Наталья уже с четырехлетнего возраста стремилась к творчеству: пению, стихосложению, рисованию. После переезда семьи в Москву совсем юная Наташа самостоятельно, более того, не предупредив родителей, записалась в акробатическую студию с цирковым уклоном.
Вплоть до 90-х годов Варлей успешно работала в различных жанрах, раскрывшись как разносторонняя актриса. Когда перестали предлагать роли в кино, она занялась озвучиванием и ее голосом заговорили именитые и весьма популярные зарубежные звезды, такие как Вероника Кастро, Софи Лорен, Мерил Стрип, Катрин Денев, и другие.
Первым супругом актрисы в 1967 году стал коллега по цеху Николай Бурляев, тогда еще начинающий артист. Пара прожила вместе несколько лет. Многие близкие друзья, такие как, например, Леонид Филатов изначально отговаривали Наталью от этого союза в связи с пристрастием Бурляева к алкоголю.Вторым мужем Натальи в 1971 году стал сын знаменитых артистов Ноны Мордюковой и Вячеслава Тихонова — Владимир Тихонов. К сожалению, он тоже оказался запойным алкоголиком, и молодая жена его бросила. В 1972 году уже вне брака у них родился общий сын Василий.В 1985 году Варлей родила еще одного ребенка, названного Александром. Кто является его отцом, она прессе не сообщала. В жизни актрисы был и третий брак, также оказавшийся недолгим. Ее супругом был строитель по имени Владимир.
В разные годы Варлей, не имея возможности сниматься в кино, работала телеведущей на федеральных каналах.
