Наталия Антонова появилась на свет 12 марта 1974 года в российской столице. Ее отец был военным, а мама – учительницей. Наташу воспитывали в строгости, но она росла активной хулиганкой, гоняла с мальчиками мяч во дворе. Правда, перед тем, как отпустить дочь играть с ребятами, родители спрашивали с нее уроки, заставляли убрать комнату и принести продукты из магазина. А с появлением сестры будущая актриса должна была присматривать за ней, если матери необходимо было куда-то отойти.
Но девушка всегда находила, куда направить свою энергию: она увлеклась фигурным катанием и балетом. После школы Наталия хотела стать балериной, но родители были решительно против. Тогда она поступила на продюсерский, но отучилась там всего два года. После посещения «Ленкома» в Наталии проснулись мечты об актерской профессии, и она поступила в Щукинское театральное училище.
На четвертом курсе ее пригласили на главную роль в картину «На заре туманной юности», которая стала дебютной работой актрисы. Съемки проходили в Воронеже, а девушка в тот же период времени должна была сдавать дипломный спектакль «Два веронца» у Александра Ширвиндта. Но педагог отпустил будущую актрису, и она блестяще воплотила образ избранницы поэта Алексея Кольцова Веры на экране. А широкую узнаваемость в 2003 году актрисе принесла роль в сериале «Другая жизнь».
Актриса дважды была замужем. Ее первым супругом стал актер Александр Вершинин, от которого она родила сына Артема. Спустя три с половиной года брак распался. Вторым мужем Наталии стал врач-гинеколог Николай Семенов, который позаботился об актрисе в период, когда ей понадобилась сложная операция. С 2005 года пара живет вместе и воспитывает двоих сыновей.
