Родилась 21 октября 1891 года в семье писателя и переводчика Алексея Алексеевича Венкстерна. Двоюродная сестра известной русской и советской актрисы Софьи Владимировны Гиацинтовой.Её увлечениями с детства были театр и литература. Ещё в детстве она стала писать рассказы и пьесы.
В 1914—1928 годах работала в ГМИИ помощником библиотекаря. Состояла в дружеских отношениях с М. Булгаковым, летом 1931 года М. Булгаков с женой Л. Белозёрской отдыхал на даче Н. А. Венкстерн в г. Зубцове на Волге и работал там над пьесой «Адам и Ева» и поправками к пьесе «Кабала святош» .Наталья Венкстерн состояла в творческой переписке со многими видными представителями советской культуры: Д. Н. Журавлевым, Н. П. Охлопковым, К. М. Симоновым, В. Я. Станицыным, А. А. Сурковым, А. К. Тарасовой, А. А. Фадеевым, Н. П. Баталовым, И. Н. Берсеневым, С. Г. Бирман, Ю. А. Завадским, Д. Б. Кабалевским, П. А. Марковым, Н. Ф. Погодиным и многими другими.Пьесы Н.Венкстерн шли в МХАТ, МХАТ-2, театре им. Ленинского комсомола.