Н. Б. Ананьева родилась в Ленинграде в семье советского психолога, профессора Бориса Герасимовича Ананьева 5 января 1946 года.
В 1968 году поступила в аспирантуру Зоологического института АН СССР после окончания Ленинградского университета.
В 1971 году была зачислена в штат лаборатории орнитологии и герпетологии младшим научным сотрудником.
В 1973 году защитила кандидатскую диссертацию на тему «Эколого-морфологический анализ пяти видов симпатрических пустынных ящериц рода Eremias» .
В 1993 году после защиты докторской диссертации — «Филогения агамовых ящериц и эволюция палеарктических агамид» становится ведущим научным сотрудником.
С 1996 года Н. Б. Ананьева возглавляет лабораторию орнитологии и герпетологии (1997—2000 гг. — объединенную лабораторию наземных позвоночных).
С 2006 по 2017 год Наталия Борисовна — заместитель директора по научной работе Зоологического института РАН (ЗИН РАН).
Она занималась курированием ключевой деятельности института — научными планами и отчетами, кадровыми вопросами, издательской деятельностью.