Родилась 11 февраля 1982 года в английском городе Рединг. О своем настоящем отце актриса старается не упоминать, а ее воспитанием вместе с матерью, которая была домохозяйкой, занимался отчим, работающий строителем. Натали росла вместе с сестрой и братом и училась в школах Чилтрен Эдж и Ридинг Блу Коат. Параллельно Дормер осваивала джазовые танцы и балет в школе танцев Алленова. Получив среднее образование в возрасте восемнадцати лет, Натали переехала жить в Лондон, где стала осваивать актерское мастерство в Академии драматического искусства Вебера Дугласа. Там же обучались такие актеры, как Руперт Френд, Мэттью Гуд и Минни Драйвер. Натали ярко проявила себя в студенческих постановках.
Через шесть месяцев после окончания учебы Мишель прошла кастинг ей на заметную роль в картине «Казанова», где партнерами актрисы по съемочной площадке стали Хит Леджер, Сиенна Миллер и Джереми Айронс. А сама Натали настолько понравилась режиссеру, что тот увеличил количество сцен с ее участием. Этот фильм имел немалый успех и принес Дормер первую известность. После этого студия Disney Touchstone заключила с актрисой контракт на три фильма, но эти проекты не были воплощены. В тот же период Натали исполнила небольшие роли в сериалах «Distant Shores» и «Ребус: Висячий сад». А в 2007 году ей досталась одна из ключевых ролей в историческом сериале «Тюдоры», который принес актрисе большую популярность, высокие отзывы критиков и несколько национальных наград. И предложения об участии в новых проектах стали поступать довольно часто: Дормер снялась в фильмах «Без изъяна», «Мисс Марпл: Ответ знает Эванс» и сериале «Призраки». Кроме того, она выступала в лондонском театре Янг-Вик в постановке «Sweet Nothings». Но оставила эту роль ради съемок в сериалах «Шелк» и «Игра престолов». Также в 2011 году с участием актрисы на экраны вышли ленты «Первый мститель» и «МЫ. Верим в любовь». А в настоящее время Дормер задействована в новом сериале «Элементарно» и продолжает играть на сцене театра Янг-Вик. Кроме того, в скором времени ожидается выход нескольких фильмов с ее участием. Натали – известная любительница покера, она даже принимала участие в онлайн турнире, где стала обладательницей второго места среди известных личностей.
