Натали Дормер родилась и выросла в Рединге, графство Беркшир. Её мать — домохозяйка, отчим — строитель. 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 3-х 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 2-х сезонов.