Née le 28 février 1982 à Nijni Novgorod en Russie, Natalia connaît une enfance difficile. Son père l'abandonne alors qu'elle est toute petite, et sa mère, Larisa, est ouvrière dans une usine automobile. Elle a 6 ans lorsque naît sa demi-soeur, Oksana, atteinte de paralysie cérébrale et d'un autisme sévère. Le beau-père de Natalia quitte le foyer et laisse la petite famille dans le plus grand dénuement. A 11 ans, l'écolière studieuse, doit déserter parfois les bancs de l'école pour travailler et vendre des légumes sur le marché avec sa mère. Entre temps, une deuxième demi-soeur, Kristina, vient agrandir la famille. Adolescente indépendante, elle s'émancipe à 16 ans, partage un logement avec sa meilleure amie et développe son petit commerce maraîcher avec son étal sur le marché. Puis encouragée par son petit ami, elle s'inscrit dans une école de mannequinat, et le déclic opère immédiatement; l'univers de la mode la fascine. Pugnace, elle apprend l'anglais en quelques mois, convaincue que cette voie va changer son destin.
En décembre 1999, repérée par un agent, elle s'envole pour la France pour signer un contrat avec l'agence parisienne terraViva Model Managment. Les photographes la surnomment SuperNova, les contrats sont de plus en plus nombreux. En 2002, le défilé pour la maison de couture Yves Saint Laurent et son contrat avec Gucci lui assurent une certaine notoriété. Dans la foulée, elle signe un contrat publicitaire avec Calvin Klein. Les marques de plus en plus prestigieuses s'arrachent son joli minois. En 2008, elle devient ambassadrice des maquillages et parfums Guerlain. Natalia Vodianova diversifie ses activités et endosse la casquette de styliste pour la marque de lingerie Etam dont elle est crée les collections depuis 2009. Parallèlement, elle tente une incursion au cinéma en 2010 avec une apparition dans le Choc des titans, puis interprète le rôle principal dans l'adaptation du best-seller Belle du seigneur aux côtés de Jonathan Rhys Meyer.
En 2005, sa fondation The Naked Heart Foundation voit le jour. A l'origine dédiée à la construction d'aires de jeux pour les enfants de familles démunies en Russie, la fondation subventionne également des institutions psychiatriques pour enfants.
Côté vie privée, Natalia Vodianova épouse, à dix-neuf ans, Justin Portman, un aristocrate anglais, en novembre 2001. Quelques semaines plus tard, le jeune couple fonde une famille avec la naissance de Lucas Alexander le 22 décembre 2001. Le couple a deux autres enfants; Neva (née le 24/03/2006) et Viktor (né le 13/09/2007). En 2010 le couple se sépare et Natalia retrouve l'amour au bras d'Antoine Arnault, fils de l'homme d'affaires Bernard Arnault, propriétaire du groupe LVMH. Le 2 mai 2014, elle donne naissance à son quatrième enfant, le premier pour Antoine Arnault, un petit garçon prénommé Maxim. Le couple attend un enfant pour 2016. La jeune femme annonce sur son compte Instagram, avoir donné naissance à Roman le 4 juin 2016. Le 1er janvier 2020, elle annonce ses fiançailles avec Antoine Arnault sur son compte Instagram. Le 21 septembre 2020, elle publie sur Instagram une photo de son mariage avec Antoine Arnault, célébré à la mairie du 16ème arrondissement de Paris le 19 septembre 2020.