Наталия Антонова родилась 12 марта 1974 года в Москве в семье военнослужащего и педагога-филолога.
В 1997 году окончила Высшее театральное училище имени Б. В. Щукина (художественный руководитель курса — Марина Александровна Пантелеева).Будучи студенткой, в 1995 году участвовала в телеигре «Угадай мелодию» .
С 1997 по 2012 годы — актриса Московского драматического театра имени Н. В. Гоголя.
С 1997 года снимается в кино, дебютировав в фильмах «Учительница первая моя, или Мальчишник по-русски» и «На заре туманной юности» . Сыграла уже более сорока ролей.
В основном снимается в драматических ролях.Актёрскую профессию также выбрали её младшая сестра Светлана Антонова и двоюродный брат Олег Мосалёв.Личная жизньОт брака с первым мужем — актёром Александром Вершининым (с 1996 по 2001 годы) — у актрисы есть сын Артём (род. 29.11).Второй брак — с врачом-гинекологом Николаем Семёновым. От этого брака у неё родилось ещё двое детей — Никита и Максим. Также актриса воспитывает Антона, сына своего нынешнего супруга от первого брака.