Наталья Николаевна Белохвостикова родилась 28 июля 1951 года в Москве. Когда ей был год, родители переехали в Лондон, где отец Натальи работал в советском посольстве. Девочка выучила английский язык и говорила на нём так же хорошо, как и на русском.Когда ей было 5 лет, родители отправили Наташу в Москву к бабушке. Там девочка вскоре пошла в школу.
Она много читала и мечтала стать актрисой.
В 1965 году Белохвостикова попала в массовку фильма Марка Донского «Сердце матери» .
Это стало дебютом Натальи в кино.
В 1968 году она поступает во ВГИК в актерскую мастерскую Сергея Герасимова и Тамары Макаровой. Ещё будучи студенткой, она сыграла в картине своего педагога Герасимова «У озера» . За роль Лены Барминой Белохвостикова была удостоена Государственной премии СССР, став самым молодым её лауреатом.После окончания ВГИКа в 1971 году Наталья становится актрисой Театра-студии киноактера.
Она снималась в таких известных фильмах как - «Красное и черное» , «Маленькие трагедии» , «Легенда о Тиле» , «Тегеран-43» , «Берег» , «Десять лет без права переписки» и других. Роль в фильме «Тегеран-43» принёс актрисе всесоюзную славу.
В новом тысячелетии актриса снялась в фильмах «Часы без стрелок» (2001), «Год лошади: созвездие скорпиона» (2004), «Джоконда на асфальте» (2007), «В России идёт снег» (2009).Народная и Заслуженная артистка РСФСР, лауреат двух Государственных премий СССР - Наталья Николаевна награждена орденами Почёта и «За заслуги перед Отечеством» IV степени.Белохвостикова замужем за кинорежиссёром Владимиром Наумовым, с которым познакомилась на фестивале в Югославии.
В 1977 году у них родилась дочь Наташа, а в 2007 году супруги усыновили мальчика Кирилла.Сегодня Наталья Николаевна Белохвостикова продолжает работать в кино и на телевидении. Живет в Москве.