Родилась в Киеве 28 декабря 1951 года в многодетной семье. С 1959 г. до 1965 г. вместе с матерью Н.Витренко жила на Донбассе, в 1965 вернулась в Киев.
В 1969 г. Наталья Витренко поступила на учётный факультет Киевского института народного хозяйства (КИНХ) им. Д.С.Коротченко. Во время учёбы в ВУЗе была Ленинским стипендиатом, членом комитета комсомола института, депутатом Совета депутатов трудящихся Радянского района г. Киева. Занималась научной студенческой работой, была победителем республиканского и международного конкурсов научных студенческих работ.
В 1973 г. Н. Витренко окончила институт с красным дипломом и получила направление в аспирантуру Киевского института народного хозяйства, где училась с ноября 1973 по ноябрь 1976 гг. С августа по ноябрь 1973 работала старшим экономистом в отделе статистики транспорта ЦСУ УССР. В 1974 вступила в КПСС.
В марте 1977 года Наталия Витренко защитила кандидатскую диссертацию. С июня 1977 по сентябрь 1979 работала вначале младшим, а затем старшим научным сотрудником НИИ научно-технической информации Госплана УССР, в 1979—1989 — доцентом кафедры статистики КИНХа. В 1989 перешла на работу старшим научным сотрудником в Совет по изучению производительных сил Украины (СОПС)АН Украины, С 1991 по 1994 гг. училась в докторантуре СОПСа. В апреле 1991 Н.Витренко выступила в СОПСе АН Украины с докладом «Приватизация и социалистический выбор», в котором резко критиковала начинающуюся в стране приватизацию.
В 1991 году принимала участие в работе над экономическим разделом новой редакции программы КПУ. После запрета КПУ Витренко активно включилась в создание Социалистической партии Украины (СПУ), стала главным разработчиком программных документов партии, руководителем теоретического центра партии, редактором партийного журнала «Выбор». В мае 1993 г. вышла монография Н. Витренко «Социальная инфраструктура Украины: оценка уровня и перспектив развития». 5 апреля 1994 Витренко защитила докторскую диссертацию на тему «Региональные проблемы развития социальной инфраструктуры». Подготовила для парламента Украины экономическую программу «Основные направления становления экономики Украины в кризисный период», которая 15 июня 1994 была принята Верховным Советом Украины. С июня 1994 по январь 1995 Наталия Витренко работала советником по социально-экономическим вопросам Председателя Верховного Совета Украины Александра Мороза. В декабре 1994 года стала народным депутатом Украины от Конотопского избирательного округа (Сумская обл.). В октябре 1995 года с трибуны Верховного Совета Украины огласила альтернативную правительственной «Экономическую программу предотвращения национальной катастрофы». А.Мороз отказался поставить её на голосование, поддержав программу правительства и президента Кучмы. Витренко — автор 72 законопроектов, одна из основателей межпарламентского объединения ЗУБР (за Союз Украина-Беларусь-Россия).
В феврале 1996 года Витренко была исключена из Соцпартии. В апреле 1996 вместе с Владимиром Марченко создала Прогрессивную социалистическую партию Украины (ПСПУ), объявившую своей целью восстановление советской власти, как власти трудового народа, создание плановой, социалистической экономики, вхождение Украины в союз с Россией и Белоруссией.
ПСПУ под руководством Н.Витренко в 1998 г. преодолела 4% барьер и прошла в парламент. Н.Витренко и В.Марченко победили в своих мажоритарных округах. Деятельность фракции отличала принципиальная позиция по защите интересов трудового народа.
В 1996, 1997 и 1998 гг. Наталия Витренко была признана «Женщиной года» на Укpаине. В 1999 году Витренко стала первой в истории Украины женщиной-кандидатом в президенты страны.
В ходе предвыборной компании 2 октября 1999 на Наталию Витренко было совершено покушение в Кривом Роге. После её встречи с избирателями в неё и сопровождавших её депутатов были брошены 2 боевые гранаты РГД-5. Витренко получила осколочные ранения, в целом пострадало 44 человека. Организатором покушения решением суда признан доверенное лицо лидера СПУ А.Мороза Сthutq Иванченко. На президентских выборах 1999г. Н.Витренко заняла 4 место, получив 10,97 % голосов избирателей.
В 2002 Н. Витренко возглавила двухпартийный избирательный «Блок Наталии Витренко», получивший 3,22 % голосов избирателей (не преодолевший 4% избирательный барьер).
В первом туре президентских выборов в октябре 2004 года она заняла пятое место, получив 1,53 % голосов. Во втором туре поддержала Виктора Януковича.
В парламентских выборах 2006 года ПСПУ участвовала в составе двухпартийного именного блока «Народная оппозиция». Блок возглавляла Н.Витренко. Блок отстаивал изменение экономической модели хозяйствования,присоединение Украины к Союзу России и Белоруссии, отказ от вступления в НАТО, ЕС и ВТО, придание русскому языку статуса государственного. При 3% барьере Блок набрал 2,93%. По поводу фальсификации выборов (не хватило 0,07% для прохождения в парламент)было сделано 63 обращения в суды первой инстации. Рассматривал дело и Высший административный суд. Но пересчёт голосов на указанных участках сделать не разрешили.
На выборах в местные советы 2006 г. Блок Наталии Витренко "Народная оппозиция" получил представительство в 19 регионах Украины, в местные советы которых прошло около 500 депутатов от Блока.
Н.М.Витренко избрана академиком Академии строительства Украины, академиком Украинской академии экономической кибернетики, член-корреспондентом Петровской академии наук и искусства Российской Федерации, профессором Института социализма Российской Федерации.
В 2009 году была избрана премьер-министром оппозиционного Правительства народного спасения.
Наталия Витренко - бессменный лидер ПСПУ, руководитель Всеукраинской женской организации "Дар жизни" и Общественной организации "Собор православных женщин Украины".
Имеет троих детей и троих внуков.