В 1994 году окончила юридический факультет Белорусского государственного университета. С 1999 — кандидат юридических наук, защитила кандидатскую диссертацию на тему «Внешнеэкономические сделки (правовые аспекты)».
Работала ведущим специалистом, затем начальником управления государственного и международного права Главного государственного правового управления Администрации Президента Республики Беларусь. В 2001 году стала пресс-секретарём Александра Лукашенко, в 2004 — заместителем главы президентской администрации.
Наталью Петкевич нередко называют «железной леди» Беларуси и одним из возможных кандидатом на пост следующего президента Беларуси.
В 2006 году за участие в подтасовке результатов президентских выборов (по мнению некоторотых независимых наблюдателей) Наталье Петкевич был запрещён въезд в США и страны Евросоюза.
9 января 2009 года назначена первым заместителем главы администрации президента Республики Белоруссия. Эту должность занимала до 28 декабря 2010 года.
27 марта 2009 года вышла замуж за Александра Ивановича Мартыненко – заместителя председателя Национальной государственной телерадиокомпании Республики Беларусь.