Наталия Антонова родилась 12 марта 1974 года в Москве в семье военнослужащего и педагога-филолога.

В 1997 году окончила Театральный институт имени Бориса Щукина, художественный руководитель курса М. А. Пантелеева. С 1997 года по 2012 год — актриса Московского драматического театра им. Н. В. Гоголя. С того же года снимается в кино, дебютировав в фильмах «Учительница первая моя, или Мальчишник по-русски» и «На заре туманной юности». В кино Наталия Антонова сыграла уже более сорока ролей. В основном снимается в драматических ролях.

Актёрами также являются её сестра Светлана Антонова и двоюродный брат Олег Мосалёв.

От брака с первым мужем — актёром Александром Вершининым (с 1996 по 2001 год) — у актрисы есть сын Артём. Второй брак — с врачом-гинекологом Николаем Семёновым. От этого брака у неё родилось ещё двое детей — Никита и Максим, также актриса воспитывает Антона, сына Николая Семёнова от первого брака.
Театр

«Верная жена»
«Чужой ребёнок»
«Госпожа метелица»

Фильмография
Год         Название     Роль
1997     ф     Учительница первая моя, или Мальчишник по-русски     Имя персонажа не указано
1997     ф     На заре туманной юности     Варя Лебедева
1999     с     Будем знакомы!     Наташа
1999     с     Каменская 1     Элина Бартош
2001     с     Золото Югры     Имя персонажа не указано
2001     с     Курортный роман     Имя персонажа не указано
2001     с     Сезон охоты 2     Имя персонажа не указано
2002     ф     Всё, что ты любишь     парикмахер
2002     с     Только раз…     Имя персонажа не указано
2002     с     Трое против всех     Ирина Хавкина
2003     с     Другая жизнь     Полина
2003     с     Любовь Императора     Екатерина Долгорукова
2003     с     Моя родня     дочь Сысуевича
2004     с     Виола Тараканова. В мире преступных страстей     Вера
2004     ф     Золотая голова на плахе     Имя персонажа не указано
2004     с     Не забывай     Маруся
2004     с     Самара-городок (Золушка из Запрудья)     певица Ортега
2004     с     Строптивая мишень     Дина
2005     с     Жених для Барби     Варя
2005     с     Лига обманутых жён     Лариса Шарова
2005     с     Происки любви     Виктория, художница
2006     с     Под Большой медведицей (Олигарх с Большой медведицы)     Имя персонажа не указано
2006     с     Любовь как любовь     Инга, помощница Василия Ерошина
2007     ф     Гастролёр     Катя
2008     ф     Сюрприз     Ира
2008     ф     Только вернись!     Лиза, жена Михаила
2008     с     Фотограф     Елена Шиянова
2009     с     Возмездие     Полина, жена Максима
2009     с     Грязная работа     Лара, писательская жена
2009     ф     Загадай желание     Настя Смирнова
2009     ф     Операция «Праведник» (Чёртова дюжина)     Вика
2009     с     Сердце капитана Немова     Ирина Бойцова
2009     ф     Синие, как море, глаза     Елена
2009     ф     Третье желание     Вера
2010     с     Дыши со мной (Она)     Лана, жена Игоря
2010     с     Любовь Надежды     Надежда Касьянова
2010     ф     Мой грех     Ульяна
2010     с     Солнечное затмение     Анна Патрушева
2010     ф     Тридцать седьмой роман     Анна
2011     ф     Любовь приходит не одна     Ирина
2011     с     Терминал     Татьяна Муратова, жена Игоря
2011     с     Бомбила     Галина
2011     с     Счастье есть     Светлана
2012     с     Метод Фрейда     Анна Кораблина, начальник следственной бригады
2012     с     Дыши со мной 2. Счастье взаймы     Светлана Стежкина (Лана)
2012     с     Любить нельзя забыть     Марина
2012     с     Не было бы счастья     Алена Северцова
2013     с     Там, где есть счастье для меня     Надежда Сергеевна Степанцова, главная роль
2013     с     Уравнение любви     Татьяна Ивановна Сергеева, главная роль
2013     ф     Генеральская сноха     Ирина Колчина, главная роль