Внесла большой вклад в развитие детского театра и художественного воспитания детей, создатель целого направления театрального творчества для детей. Явилась инициатором и совместно с С. С. Прокофьевым создателем музыкальной сказки для симфонического оркестра «Петя и волк». Автор пьес, либретто детских опер и балетов, книг и статей по вопросам музыкального воспитания. Народная артистка СССР (1975). Герой Социалистического Труда (1983). Лауреат Государственной (1972), Ленинской премии (1982), премии Ленинского комсомола (1985), премии СМ СССР (1979). Профессор. Член Союза писателей СССР (1962).
Наталия Ильинична Сац родилась 14 (27) августа 1903 года в Иркутске в семье композитора И. А. Саца и оперной певицы Щастной Анны Михайловны.
Получила музыкальное образование — в 1917 году окончила музыкальный техникум имени А. Н. Скрябина. С 1918 года (с пятнадцатилетнего возраста) — заведующая детским сектором теамузсекции Моссовета. По инициативе Н. И. Сац создается первый театр с репертуаром для детей — Детский театр Моссовета (1918). С 1920 года и до ареста 1937 года — директор и художественный руководитель Московского театра для детей (с 1936 года — Центральный детский театр, с 1992 года — Российский академический молодёжный театр). В 30-е годы Н. И. Сац приглашают ставить спектакли за рубежом. Большой успех имели её постановки опер «Фальстаф» (Дж. Верди) в берлинском театре «Кролль-опера» (1931, дирижёр Отто Клемперер) и «Свадьба Фигаро» В. А. Моцарта в аргентинском Театре Колонн (1931). Окончила в 1953 году театроведческий факультет ГИТИСа.
Осенью 1937 года года Н. И. Сац была арестована по статье «Член семьи изменника Родины» (её муж, И. Я. Вейцер, крупный советский деятель, был репрессирован). В лагерях ГУЛАГ провела пять лет, освобождена в конце 1942 года. Однако, разрешения находиться в Москве не имела, поэтому отправилась в Алма-Ату, где в то время в эвакуации находились многие ведущие артисты того времени. В столице Казахской ССР энергичная Наталия Сац вновь принимается за своё любимое дело и её усилиями в 1945 году открывается первый в Казахстане Алма-Атинский театр юного зрителя, который Н. И. Сац возглавляет в течение 13 лет.
В 1958 году Наталия Сац возвращается в Москву. Она руководит Всероссийским гастрольным театром, а затем — детским отделением Мосэстрады. В 1964 году организует и возглавляет первый в мире детский музыкальный театр (открыт в 1965 году). На художественном совете, где обсуждался выпускаемый фирмой «Мелодия» радиоспектакль «Алиса в Стране чудес» (ныне легендарный), Наталья Сац обвинила Всесоюзную студию грамзаписи в том, что она «развращает детей чудовищными песнями Высоцкого».
Наталия Сац умерла 18 декабря 1993 года. Похоронена в Москве на Новодевичьем кладбище (участок № 2).