Дочь русских эмигрантов Николая Степановича Захаренко, родом из Владивостока, и Марии Степановны Зудиловой, родом из Барнаула, которые, став гражданами США изменили фамилию на Гурдин.
Её актёрская карьера началась в возрасте четырёх лет, и вскоре Вуд стала успешным актёром-ребёнком, снявшись в таких фильмах как «Чудо на 34-й улице» (1947), «Призрак и миссис Мьюр» (1947) и «Звезда» (1952). Роль Джуди в фильме «Бунтарь без идеала» с Джеймсом Дином в главной роли, принесла ей в 1955 году номинацию на «Оскар» и помогла ей выбиться в более взрослые и серьёзные роли.
Мировую славу Натали Вуд принесло участие в фильмах «Вестсайдская история» (1961), «Джипси» (1962) и «Большие гонки» (1965), а роли в фильмах «Великолепие в траве» (1961) и «Любовь с подходящим незнакомцем» (1963) принесли ей ещё две номинации на премию Американской киноакадемии. Её карьера успешно продолжалась в течение 1960-х годов, а с началом нового десятилетия Вуд стала сниматься намного меньше, посвятив себя семье. Одну из последних крупных ролей актриса сыграла в телефильме «Отныне и навсегда» в 1979 году, за которую была удостоена премии «Золотой глобус».
Во время проживания в Лос-Анджелесе была прихожанкой Спасо-Преображенского собора (РПЦЗ).
В 1957 году Натали Вуд вышла замуж на актера Роберта Вагнера. Супруги прожили вместе до 1961 года и официально развелись в 1962-м году. В 1969 году Вуд вышла замуж за британского продюсера Ричарда Грегсона, с которым развелась в 1972 году. В 1972 году Натали Вуд восстановила отношения с Робертом Вагнером, за которого повторно вышла замуж в 1974 и прожила до самой гибели.
Натали Вуд утонула в ночь с 29 на 30 ноября 1981 года при невыясненных обстоятельствах во время плавания на яхте у острова Санта-Каталина в Калифорнии. Кроме Вуд на яхте находились ее муж Роберт Вагнер, актер Кристофер Уокен и капитан яхты Деннис Даверн. К 30-летию трагической гибели актрисы полиция возобновила расследование обстоятельств произошедшего по новому заявлению капитана яхты.
11 января 2012 года газета Los Angeles Times сообщила о том, что полиция Лос-Анджелеса не нашла каких-либо доказательств убийства. По данным, которые приводит издание со ссылкой на главу следственного отдела полиции, возобновленное расследование не выявило каких-либо новых обстоятельства трагедии.
Как пояснил высокопоставленный представитель полиции, подобные «глухие» дела никогда полностью не закрываются, и следственная работа может быть возобновлена в любое время в случае появления новой информации.