Наталия Николаевна Белохвостикова родилась 28 июля 1951 года в Москве. Когда ей был год, родители переехали в Лондон, где отец Наталии работал в советском посольстве. Девочка выучила английский язык и говорила на нём так же хорошо, как и на русском.
Когда ей было 5 лет, родители отправили Наташу в Москву к бабушке. Там девочка вскоре пошла в школу. Она много читала и мечтала стать актрисой. В 1965 году Белохвостикова попала в массовку фильма Марка Донского «Сердце матери». Это стало дебютом Наталии в кино.
В 1968 году она поступает во ВГИК в актерскую мастерскую Сергея Герасимова и Тамары Макаровой. Ещё будучи студенткой, она сыграла в картине своего педагога Герасимова «У озера». За роль Лены Барминой Белохвостикова была удостоена Государственной премии СССР, став самым молодым её лауреатом.
После окончания ВГИКа в 1971 году Наталия становится актрисой Театра-студии киноактера. Она снималась в таких известных фильмах как: «Красное и черное», «Маленькие трагедии», «Легенда о Тиле», «Тегеран-43», «Берег», «Десять лет без права переписки» и других. Роль в фильме «Тегеран-43» принёс актрисе всесоюзную славу.
В новом тысячелетии актриса снялась в фильмах «Часы без стрелок» (2001), «Год лошади: созвездие скорпиона» (2004), «Джоконда на асфальте» (2007), «В России идёт снег» (2010).
Народная и Заслуженная артистка РСФСР, лауреат двух Государственных премий СССР — Наталия Николаевна награждена орденами Почёта и «За заслуги перед Отечеством» IV степени. Она является членом Союза кинематографистов РФ, Российской академии кинематографических искусств, Национальной академии кинематографических искусств и наук России.
Белохвостикова была замужем за кинорежиссёром Владимиром Наумовым, с которым познакомилась на фестивале в Югославии. В 1977 году у них родилась дочь Наташа, а в 2007 году супруги усыновили мальчика Кирилла.
Сегодня Наталия Николаевна Белохвостикова продолжает работать в кино и на телевидении. Живёт в Москве.
