Наталья Эстемирова родилась в чеченско-русской семье в городе Камышлов Свердловской области. Закончила исторический факультет Грозненского университета. До 1998 года работала учителем истории в грозненской школе № 7, затем занялась правозащитной журналистикой. В начале второй чеченской войны работала в Грозном, с 2000 года — сотрудница представительства Правозащитного центра «Мемориал» в Грозном.
В 2004 году была удостоена премии «Правильная жизнедеятельность» на церемонии в здании Шведского парламента. В 2005 Европейская народная партия — Европейские демократы наградила Эстемирову и председателя Мемориала Сергея Ковалёва медалью имени Робера Шумана. В 2007 году Инициатива Нобелевских Женщин вручила Эстемировой «Награду Анны RAW in WAR».
Наталья Эстемирова входила в Комиссию по условиям содержания в местах лишения свободы. Её сторонники считают, что она вела борьбу с "фальсификацией" уголовных дел, посещая следственные изоляторы, активно боролась с практикой "пыток", вела расследования "похищений" и "внесудебных казней".
По сообщению руководителя московского бюро Human Rights Watch Татьяны Локшиной, Эстемирову похитили 15 июля 2009 года возле её дома в Грозном около 08:30. Её коллеги по правозащитной деятельности подняли тревогу, когда она не пришла на заранее оговорённую встречу, приехали к дому, нашли и опросили свидетелей. По данным коллег погибшей «Два свидетеля видели с балкона, как на улице Богдана Хмельницкого в Грозном, где проживает Наташа, её затолкнули в белый автомобиль марки ВАЗ, она успела крикнуть, что её похищают».
Как сообщил пресс-секретарь следственного комитета прокуратуры России Владимир Маркин, тело женщины с пулевыми ранениями в голову и грудь было обнаружено в 16:30 (по данным МВД Ингушетии — в 17:20) по времени Москвы в лесополосе в 100 метрах от федеральной автодороги «Кавказ» вблизи села Гази-Юрт Назрановского района Ингушетии. В её сумке находились паспорт, удостоверение члена экспертного совета аппарата уполномоченного по правам человека РФ по Чеченской республике и мандат общественного наблюдателя комиссии по общественному контролю в местах принудительного содержания на имя Натальи Эстемировой.
Председатель совета ПЦ «Мемориал» Олег Орлов обвинил президента Чечни в том, что тот угрожал правозащитнице:
По его информации,
Согласно официальному заявлению «Мемориала»,
17 июля правозащитная организация «Мемориал» решила временно приостановить свою работу в Чечне из-за этого события.
По мнению главного редактора «Новой газеты» Дмитрия Муратова, это политическое убийство:
Подтверждая свою точку зрения, Дмитрий Муратов пересказал последний свой диалог с Натальей:
Обеспокоенность произошедшим выразили и в политических кругах иностранных государств. В частности, министр иностранных дел Франции Бернар Кушнер осудил убийство правозащитницы:
Он потребовал сделать всё возможное для того, чтобы найти и осудить убийц. К нему также присоединился представитель шведского председательствования в Евросоюзе министр иностранных дел Швеции Карл Билдт:
Заявление с призывом найти и наказать убийц выпустил Совет национальной безопасности США.
По словам пресс-секретаря Натальи Тимаковой, президент России Дмитрий Медведев «выразил возмущение этим убийством и дал поручение главе Следственного комитета при прокуратуре РФ (СКП РФ) Александру Бастрыкину принять все необходимые меры для расследования убийства… Очевидно, что это умышленное убийство может быть связано с правозащитной деятельностью Натальи Эстемировой». «Тем жёстче должно быть наказание преступникам», — подчеркнула пресс-секретарь президента. Президент также выразил соболезнование родным и близким Эстемировой.
Президент России Дмитрий Медведев связал убийство Эстемировой с её активной правозащитной деятельностью.
Комментируя убийство Эстемировой, президент Чечни Рамзан Кадыров назвал его «чудовищным» и заявил, что будет лично контролировать поиски преступников. По его словам, будет проведено и неофициальное расследование, «в соответствии с традициями чеченцев». Рамзан Кадыров также категорически опроверг заявления Олега Орлова, лично позвонив ему и указав, что «вам будет стыдно, когда это окажется неправдой. Вы не прокурор и не следствие, чтобы делать такие заявления».
15 июля 2009 года по факту произошедшего с правозащитницей было возбуждено два уголовных дела: в Чечне — по статье «похищение человека», а в Ингушетии — по статьям «убийство» и «незаконный оборот оружия». По информации газеты «Комсомольская правда», 16 июля 2009 года они были объединены в одно дело, которое передано в Главное следственное управление СКП РФ по Южному федеральному округу. Основным мотивом убийства называется правозащитная деятельность Эстемировой.
По данным на июль 2011 года основной версией убийства Натальи Эстемировой следствие считает месть чеченских боевиков банды Ислама Успахаджиева.
16 июля 2009 года в Грозном состоялась церемония прощания с Натальей Эстемировой, на которой присутствовало от 100 до 500 человек. После этого Наталья Эстемирова была похоронена в селе Ишхой-Юрт Гудермесского района Чечни.
В Москве в Новопушкинском сквере и в Санкт-Петербурге на Троицкой площади в этот же день прошли пикеты, посвящённые памяти погибшей правозащитницы.
17 июля 2009 года в Париже на площади Сан-Мишель состоялся митинг памяти убитой правозащитницы. Собралось порядка 150 человек.
Отец был чеченцем из села Ишхой-Юрт Гудермесского района Чечни. Мать — русской.
Вдова. По словам её подруги, журналистки Марины Литвинович, её мужа давно убили.
У погибшей осталась 15-летняя дочь Лана Сайдаминовна Эстемирова (род. 1994). 3 августа 2009 года правозащитниками центра «Мемориал» был организован сбор пожертвований в её пользу, так как она осталась круглой сиротой.
Сестра — Светлана Хусаиновна Эстемирова, проживает в Екатеринбурге.