В детстве Наталья хотела стать модельером, после окончания школы в течение года работала манекенщицей в Доме моделей, после чего решила начать актерскую карьеру и уехала в Москву. Яркую и талантливую девушку приняли и в ГИТИС, и в «Щуку», но в итоге Петрова выбрала последний вуз. Будучи еще студенткой, Наталья Петрова снялась в главной роли в фильме Валерия Тодоровского «Любовь». Эта картина, вышедшая в 1991 году, завоевала множество наград, в том числе и международных. Благодаря участию в этом фильме Наталья Петрова практически в одночасье стала звездой. Также в 1991 году она снялась еще в двух фильмах - «Нога» и «Любовь на стороне смерти». В 1992 году она получила приз за лучшую женскую роль на французском кинофестивале. В этом же году она окончила театральное училище, после чего в течение года работала в театре «Ученая обезьяна». Также 1992 год ознаменовался в жизни актрисы ролью в фильме «Вынос тела».
В следующем году – новая роль, на этот раз главная, в картине Виталия Москаленко «Дорога в рай». Также в 1993 году при участии Натальи Петровой вышел фильм «Волчицы». В 1995 году она снялась в детективе Александра Прошкина «Черная вуаль», где работала на одной площадке с такими артистами, как Александр Абдулов, Сергей Маковецкий, Ирина Розанова, Татьяна Васильева.
В 1998 году актриса играла в московском театре «Игроки», созданном на базе театра имени Н.В. Гоголя. В 1999 году Наталья Петрова окончила Высшие курсы сценаристов и режиссеров. Ее преподавателем был прославленный режиссер Александр Митта. В 2001 году она впервые выступила в качестве режиссера. В 2002 году на экраны вышел фильм «Дорога», где Наталья Петрова была одновременно автором сценария, режиссером и исполнительницей главной роли. В том же году она приняла участие в съемках киноальманаха «Черная комната». В 2002 году Наталья Петрова снялась в сериале «Главные роли». В 2008 году в прокат вышел еще один фильм Натальи Петровой под названием «Пари», в этом проекте она выступила в качестве режиссера.
