Наталия Белохвостикова родилась 28 июля 1951 года в Москве в семье советского дипломата Николая Дмитриевича Белохвостикова (1918—1984), имевшего ранг чрезвычайного и полномочного посла, работавшего в Канаде, Великобритании, Швеции. Её мать Антонина Романовна Белохвостикова работала переводчицей. В 11-месячном возрасте будущую актрису увезли в Англию, где она провела пять лет.

Дебют Наталии в кино состоялся в 1965 году. В это время режиссёр Марк Донской снимал в Стокгольме фильм «Сердце матери» — о Марии Александровне Ульяновой. Это был всего лишь небольшой эпизод, но он впоследствии сильно повлиял на судьбу актрисы.

В 1967 году, когда картина уже вышла на широкий экран, Белохвостикова оказалась на ЦКДЮФ имени М. Горького. Там, в коридоре, она столкнулась с С. Герасимовым. Рядом оказался художник фильма «Сердце матери», который представил её мэтру отечественного кино. Он сообщил, что девушка собирается поступать во ВГИК. «Ах, как жаль, — всплеснул руками Герасимов, — ведь я уже набрал себе курс. Но вы не расстраивайтесь. Приходите 1 сентября, я возьму вас без экзаменов». Вот так, ещё будучи ученицей 10-го класса, Н. Белохвостикова попала во ВГИК.

Сергей Герасимов несколько раз приглашал на важные роли одну из своих самых любимых учениц. Первой серьёзной работой Наталии Белохвостиковой в кино стала роль Лены Барминой в фильме С. Герасимова «У озера» (1969). В этом фильме студентке ВГИКа довелось стать партнёршей Василия Шукшина и других именитых актёров. За роль Лены Барминой вместе с рядом других участников съёмочной группы 19-летняя Белохвостикова получила Государственную премию СССР.

Широкому телезрителю Наталия Белохвостикова стала хорошо известна после выхода в 1976 году на телеэкраны 5-серийного фильма С. Герасимова «Красное и чёрное», где актриса снялась в главной роли — Матильды де Ла Моль.

В 1971 году окончила ВГИК, актёрскую мастерскую С. А. Герасимова и Т. Ф. Макаровой.

В 1971—1975 гг. — актриса киностудии имени М. Горького, с 1976 года — актриса Театра-студии киноактёра.

Одним из наиболее известных фильмов с участием актрисы стал кинофильм А. Алова и В. Наумова «Тегеран-43» (1980), где её партнёрами были Игорь Костолевский и Ален Делон.

Также известен телесериал «Маленькие трагедии», где партнёром Белохвостиковой был Владимир Высоцкий.

Спустя несколько лет в дуэте с тем же Костолевским Белохвостикова вновь блеснула в военной мелодраме «Законный брак», тема любви и прощания в котором сопровождается музыкой Исаака Шварца и романсами на стихи Булата Окуджавы.

Актриса сыграла также много разных ролей в других фильмах, среди которых выделяются роли второго плана в фильмах В. Наумова «Выбор» и «Закон».