Советская и российская актриса, заслуженная артистка РСФСР. Наталья родилась 22 июня 1947 года в городе Констанца. В 1965 году окончила отделение акробатики Государственного училища циркового и эстрадного искусства и начала работать в цирке. В 1967 году поступила в Театральное училище имени Щукина, которое окончила в 1971 году. Уже состоявшись в актёрской профессии, пошла учиться в Литературный институт имени Горького. В 1994 году окончила факультет поэзии. С 1965 по 1967 год Варлей работала в цирке эквилибристкой. Она выступала в составе труппы Московского цирка на Цветном бульваре вместе с клоуном Леонидом Енгибаровым. В 1966 году на арене цирка на неё обратил внимание режиссёр Георгий Юнгвальд-Хилькевич, который предложил небольшую роль в своём фильме "Формула радуги". На съёмках присутствовала ассистентка Леонида Гайдая, которая пригласила актрису на пробы в его новом проекте. В 1967 году вышел фильм "Кавказская пленница, или Новые приключения Шурика", в котором Наталья сыграла "студентку, комсомолку, спортсменку и просто красавицу" Нину. В 1970-1980-е годы актриса много снималась в ролях второго плана и появилась в фильмах "Семь невест ефрейтора Збруева" (1970), "Двенадцать стульев" (1971), "Весна двадцать девятого" (1975), "Гостья из будущего" (1984) и других. С начала 1990-х она стала реже сниматься. В 1994 году Варлей появилась в фильме "Волшебник Изумрудного города", где сыграла сразу двух ведьм - Гингему и Бастинду. В 1984 году получила государственную премию РСФСР имени Крупской за исполнение роли мамы Кати в фильме "Не хочу быть взрослым"