Наталья Водянова родилась 28 февраля 1982 года в Нижнем Новгороде (Горький). Вскоре у Наташи появились еще две младшие сестры. Одна из сестер с детства страдает тяжелой формой аутизма. Из-за этого в семье всегда было тяжелое финансовое положение и уже в 11 лет Наталья начинает подрабатывать. Это плохо сказалось на учебе в школе. Девочка пропускала занятия, а это сказывалось на отметках. В итоге, Наталья Водянова так и не закончила школу.
В возрасте 16 лет ее заметили в Нижегородском модельном агентстве «Евгения», где она начала свою карьеру модели. На одном из просмотров ее приметил скаут Viva Models, и вскоре она отправилась работать в Париж.
В течение нескольких лет Наталья Водянова вошла в тройку самых известных русских моделей с начала 2000 годов. Она работала на подиуме для самых известных домов моды Gucci, Chanel, Alexander McQueen, Christian Dior, Calvin Klein, Donna Karan, Louis Vuitton, Marc Jacobs, Ralph Lauren, Chloe, Valentino, Givenchy, Jean-Paul Gaultier, Miu Miu, Hermes, Kenzo, Viktor & Rolf, Dolce&Gabbana, Balenciaga, Yves Saint Laurent. Самые известные журналы в области моды неоднократно публиковали фотосессии с ее участием на своих страницах. Так же Наталья Водянова приняла участие в съемках знаменитого календаря Pirelli. В 2003 году она становится официальным «лицом и телом» Calvin Klein.
Наталья Водянова состоит в браке с британским аристократом Джастином Портманом, братом известного миллиардера Кристофера Портмана. Имеет двоих сыновей и дочь. В 2011 году супермодель заявила, что уже не живет со своим мужем, хотя слухи о разводе начали гулять в прессе еще в 2010 году.
Актерская карьера Натальи Водяновой не может похвастаться большими успехами. За все время она снялась в четырех фильмах, которые не получили большой популярности у зрителя.
В 2004 году Наталья Водянова основала фонд «Обнаженные сердца», который за несколько лет построил 90 игровых площадок для детей в 68 городах России. Не понаслышке зная, каково приходится семьям с больными детьми, Наталья с 2011 года активно занимается программой «Каждый ребенок достоин семьи», нацеленной на снижение случаев отказа от детей с ограниченными возможностями. При ее непосредственном участии были открыты «Центр поддержки семьи» в Нижнем Новгороде и «Лекотека» в Тульской области.