Советская и российская актриса театра и кино, народная артистка РСФСР.
Родилась в Харькове в семье военнослужащего и директора ателье мод. Училась в Харьковском театральном институте, затем поступила во ВГИК, сразу на 4-й курс. Дебютировала в кино еще во времена студенчества — снялась в 1955 году в фильме «Есть такой парень» режиссера Виктора Ивченко. В середине 1950-х познакомилась с режиссером Владимиром Басовым, ставшим впоследствии ее мужем. Снялась в нескольких его картинах.
Играла на сцене Театра-студии киноактера, затем перешла в Театр имени М.Н. Ермоловой, а спустя несколько лет вернулась в Театр киноактера, где затем проработала много лет и сыграла множество ролей.
В фильмографии Фатеевой — более 70 кинокартин, наиболее известные из которых: «Джентльмены удачи», «Розыгрыш», «Место встречи изменить нельзя», «День ангела», «Дети Дон-Кихота», «Анна Павлова», «Три плюс два», «Здравствуй, это я». Из поздних работ актрисы — роли в сериале «Тайны дворцовых переворотов», киноальманахе «Москва, я люблю тебя!», фильме «Королев». В 2014 году Наталья Фатеева получила премию «Ника» за лучшую женскую роль второго плана в фильме «Летящие по ветру листья».