Натали Дормер родилась и выросла в Рединге, графство Беркшир. Её мать — домохозяйка, отчим — строитель. Помимо неё в семье ещё двое детей — Саманта и Марк. Натали избегает разговоров о своём биологическом отце. Наряду с общеобразовательными учреждениями, Chiltern Edge School и Reading Blue Coat School, посещала школу танцев Allenova School of Dancing. Актёрскому мастерству обучалась в Академии драматического искусства Уэббера Дугласа, где также учились актёры Руперт Френд, Мэттью Гуд, Хью Бонневилль и актриса Минни Драйвер.
Дебютом Натали Дормер в кино стала роль Виктории в фильме 2005 года «Казанова», где её партнёрами были Хит Леджер и Джереми Айронс. Её игра в комических эпизодах произвела впечатление на режиссёра Лассе Халльстрёма, и он существенно расширил сюжетную линию её персонажа, наделив его яркими бурлескными чертами. Позже актриса подписала контракт с компанией Disney Touchstone на участие в трёх фильмах, но ни один из этих проектов не был осуществлён.
Особенно успешной для неё стала роль Анны Болейн, второй супруги короля Англии Генриха VIII, в телесериале «Тюдоры», в котором она фигурировала как главная героиня на протяжении двух первых сезонов. В заключительной серии финального сезона актриса появилась в роли призрака казнённой королевы. За свою работу в телесериале Дормер удостоилась не только хвалебных отзывов от критиков, но и двух номинаций на премию Gemini Awards в категории «Лучшее исполнение драматической роли» в 2008 и 2009 годах.
В 2008 и 2009 годах Натали сыграла несколько ролей на телевидении и в кино, а в марте 2010 дебютировала на сцене лондонского театра Янг-Вик в трагикомедии Sweet Nothings по пьесе Артура Шницлера Liebelei. В июне 2010 стало известно, что Дормер получила главную роль в экранизации романа Питера Страуба Shadowland, где вместе с ней задействован актёр Билл Найи. Ещё одним проектом для актрисы стало участие в фильме «МЫ. Верим в любовь», режиссёром которого выступила певица Мадонна. Натали исполнила роль Элизабет Боуз-Лайон, супруги короля Великобритании Георга VI и матери королевы Елизаветы II.
В феврале 2011 года на канале BBC состоялась премьера телесериала «Шёлк», повествующего об особенностях профессии королевских адвокатов в Великобритании. Дормер исполнила одну из главных ролей, снявшись во всех шести эпизодах первого сезона. В конце июня 2011 года канал HBO объявил о том, что Натали Дормер присоединится к актёрскому составу телесериала «Игра Престолов» в качестве исполнительницы роли Маргери Тирелл. В 2013 году сыграла роль Ирен Адлер (Джейми Мориарти) в телесериале «Элементарно».
