Наталия Белохвостикова родилась 28 июля 1951 года в Москве в семье видного советского дипломата Николая Дмитриевича Белохвостикова (1918—1984), имевшего ранг чрезвычайного и полномочного посла, работавшего в Канаде, Великобритании, Швеции. Её мать Антонина Романовна Белохвостикова работала переводчицей. В 11-месячном возрасте будущую актрису увезли в Англию, где она провела пять лет.
Дебют Наталии в кино состоялся в 1965 году. В это время режиссёр Марк Донской снимал в Стокгольме фильм «Сердце матери» — о Марии Александровне Ульяновой. Это был всего лишь небольшой эпизод, да и тот снимали в отдалении, но он впоследствии сильно повлиял на судьбу актрисы.
В 1967 году, когда картина уже вышла на широкий экран, Белохвостикова случайно оказалась на ЦКДЮФ имени М. Горького. Там, в коридоре, она столкнулась с С. Герасимовым. Рядом оказался художник фильма «Сердце матери», который представил её мэтру отечественного кино. Он сообщил, что девушка собирается поступать во ВГИК. «Ах, как жаль, — всплеснул руками Герасимов, — ведь я уже набрал себе курс. Но вы не расстраивайтесь. Приходите 1 сентября, я возьму вас без экзаменов». Вот так, ещё будучи ученицей 10-го класса, Н. Белохвостикова попала во ВГИК.
В 1971 году окончила ВГИК, актёрскую мастерскую С. А. Герасимова и Т. Ф. Макаровой.
В 1971—1975 — актриса ЦКДЮФ имени М. Горького, с 1976 года — Театра-студии киноактёра.
В 1974 году Наталия Белохвостикова вышла замуж за известного режиссёра Владимира Наумова. Через полтора года у них родилась дочь, которую назвали Наташей. В 2007 усыновила трехлетнего детдомовца Кирилла.