Наталия Евгеньевна Гусева родилась 15 февраля 1972 года в Звенигороде. Отец — Евгений Александрович Гусев (21 октября 1942—2014), оператор в электронной промышленности; мать — Галина Макаровна Гусева (род. 19 марта 1944), врач-терапевт.

В 1979 году пошла в первый класс московской средней школы № 692.

В 1983 году в её школу пришёл ассистент с Киностудии имени М. Горького, который искал детей с хорошей дикцией. Наташа оказалась в числе отобранных и получила приглашение на пробы. Так её первой ролью в кино стала роль школьницы в детском короткометражном фильме «Опасные пустяки» (1983), который был снят для учебного ознакомления детей с правилами дорожного движения. На озвучке своей роли Наташа попалась на глаза ассистенту Павла Арсенова, который искал девочку на роль Алисы Селезнёвой в телефильме «Гостья из будущего». При знакомстве с Арсеновым Наташа так взволновалась, что, называя свой год рождения, оговорилась и вместо 1972-го назвала 1872-й.

Всесоюзную знаменитость Наташе принесла роль пионерки-школьницы Алисы Селезневой в фильме «Гостья из будущего», 1984 год. После этого кинокарьера Наташи стала завершаться: в 1989 году ей предложили сыграть главную роль — Валерию Николаеву в криминальной драме «Авария — дочь мента», но, поскольку сюжет содержал сцены насилия, то Наталия отказалась от предложения, так как не хотела разрушать светлый непорочный образ Алисы Селезнёвой.

В дальнейшем ей поступало ещё несколько предложений сыграть в кино, но она отказывалась, так как ей предлагали роли в фильмах, содержащих, как она выразилась, «новые русские» сцены.

Наталия никогда не мечтала стать профессиональной актрисой, так как с детства увлекалась биологией и съёмки в кино считала не более чем детским приключением. В юности, как и большинство советских школьников, состояла в детской пионерской организации и ВЛКСМ.

Окончив школу в 1989 году, она поступила в Московский государственный институт тонкой химической технологии на отделение биотехнологии, который окончила в 1994 году.

После этого работала научным сотрудником НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Н. Ф. Гамалеи. Наталия являлась одним из руководителей компании диагностики в области инфекционных заболеваний, разрабатывающей и производящей иммуноферментные тест-системы для диагностики ряда инфекционных заболеваний.

В 2007 году на телеканале НТВ в передаче «Главный герой» вышел выпуск «Наташа Гусева: Алиса стала взрослой», рассказывающий о судьбе Натальи и остальных юных актёров фильма «Гостья из будущего», о роли фильма для поколения 1980-х и о культурном феномене «алисомании».

В 2009 году Наталия ненадолго вернулась в кино, озвучив одну из ролей в мультфильме «День рождения Алисы» и сыграв эпизодическую роль в телесериале «Литейный» (5-я серия 2-го сезона «Лицо»).

В настоящее время (на май 2017) Наталия не работает, полностью посвятив себя младшей дочери и семье.