В 1967 году закончила классическое отделение факультета иностранных языков Львовского университета. В 1970—1981 годах — старший научный сотрудник Центрального государственного исторического архива Украины, 1981—1987 годах — преподаватель Киевского университета, 1987—1991 годах — старший научный сотрудник Института истории Украины НАН Украины, 1991—1995 годах — заведующая отделом Института украинской археографии и источниковедения НАН Украины, с 1994 года — доктор исторических наук, с 1995 г. — ведущий научный работник НАН Украины, в то же время с 1992 г. — профессор Киево-Могилянской академии.
В Институте истории Национальной академии наук Украины защитила диссертацию по латиноязычным документам, происходящим с Украины. Позже начала работать как профессиональный историк, начиная с вопросов истории шляхты Речи Посполитой.
Автор свыше 160 трудов, из которых основные:
Ее учениками являются Сергей Горин, Игорь Тесленко, Татьяна Григорьева и другие.
В своём интервью в конце 2009 года Наталья Яковенко выступала за дополнение учебных текстов информацией об остальных народов и этносов, которые издавна проживают на территории Украины, чтобы преодолеть чрезмерную нациоцентричность украинских учебников.
По её мнению государственный подход превратился в анахронизм, поскольку главным героем истории она считает общество, а не государство. Поэтому особое внимание должно уделяться изменениям в жизни человека — его быта, семьи, питания, досуга, цивилизационным улучшениям (транспортные изобретения, санитарно-лечебные новации, появление бытовых удобств и т.д).
Восстание 1648 и последующую войну она трактует как «всенародную войну — казацкую революцию», смыслом которых были социальные притязаний казачества, стремившегося стать легитимным социальным сословием в Речи Посполитой; Переяславскую раду — как это принятие протектората русского царя, вассалитет, протекторат властителя великой державы над маленькой; «украинскую революцию» 1917—1918 годов как прямое следствиее российской Февральской революции; украинофильское движение — как ответ на официальную идеологию «самодержавие, православие, народность»; Великую Отечественную войну — как советско-немецкую войну.
Она против употребления в учебниках истории Украины утверждений про её колониальный и угнетённый статус в составе России и СССР, поскольку украинцы были также этносом с привилегированным статусом и вносили большой вклад в строительство и Российской империи и Советского Союза.