Наталия Автономова родилась 14 августа 1947 года.
В 1970 году окончила отделение истории и теории искусства исторического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.
В 1972—2000 годах работала в Государственной Третьяковской галерее; заведующая отделом живописи конца XIX — начала XX века.
В 1982—1983 годах была соискателем в Институте истории искусств.
С 2000 года по настоящее время — заведующая отделом личных коллекций Государственного музея изобразительных искусств имени А. С. Пушкина.Область научных интересов — русское искусство конца XIX — начала XX века.Владеет английским языком.