Наталия Антонова родилась 12 марта 1974 года в Москве в семье военнослужащего и педагога-филолога.

В 1997 году окончила Театральный институт имени Бориса Щукина, художественный руководитель курса М. А. Пантелеева. С 1997 года по 2012 год — актриса Московского драматического театра им. Н. В. Гоголя. С того же года снимается в кино, дебютировав в фильмах «Учительница первая моя, или Мальчишник по-русски» и «На заре туманной юности». В кино Наталия Антонова 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.

От брака с первым мужем — актёром Александром Вершининым (с 1996 по 2001 год) — у актрисы есть сын Артём. 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.