Она появилась на свет 26 января 1959 года в Москве. Наташа была пятым ребёнком в большой семье дипломатического работника. Вавиловы жили в просторной квартире на Ленинском проспекте недалеко от «Мосфильма».
Однажды в магазине рядом с домом 15-летнюю Наташу заметил ассистент режиссёра Юлии Солнцевой и пригласил на небольшую роль девочки в киноповести «Такие высокие горы». Вавилова попала в кино, однако вскоре после съёмок жизнь вернулась в своё привычное русло.
Наташа была в школе на уроке, когда в их класс пришёл помощник Владимира Меньшова. Оказалось, режиссёр заметил фотографию девочки в картотеке и сразу решил утвердить её на толь Таи Петровой в своём первом полнометражном фильме «Розыгрыш». Юная актриса прекрасно справилась с ролью скромной и застенчивой школьницы.
Новые предложения от режиссёров не заставили себя ждать — Наталья промелькнула в образе дамы на балу в «Сказе про то, как царь Пётр арапа женил», сыграла Лену в «Красных дипкурьерах», перевоплотилась в очаровательную незнакомку в электричке в одной из новелл комедийного альманаха «По улицам комод водили».
Ей нравилось сниматься, но строгая семья была категорически против увлечения дочери. После школы родители устроили наследницу на курсы в МИД, мечтая однажды увидеть её на серьёзной должности, но Наташа тайком продолжала бегать на «Мосфильм» и брала уроки актёрского мастерства.
Когда Владимир Меньшов пригласил её в свою новую картину «Москва слезам не верит» на роль дочери главной героини, родители тут же сказали девушке забыть о съёмках. Вавиловой запретили подходить к телефону и на какое-то время даже оставили под домашним арестом.
Тогда Меньшов в компании Алексея Баталова поехал к юной актрисе домой уговаривать её папу и маму. После личного разговора с именитыми актёрами родители Натальи сдались — девушка снялась в картине и вскоре поступила во ВГИК.
Мелодрама «Москва слезам не верит» подарила актрисе и личное счастье. На премьере фильма Наталья Вавилова познакомилась со своим будущим мужем, режиссёром Самвелом Гаспаровым.
Он был старше на 20 лет и уже имел за плечами два развода, но с Наташей они сразу почувствовали друг в друге родственные души. Уже спустя год влюблённые поженились, чтобы быть вместе до конца дней.
Актёрская карьера Натальи Вавиловой складывалась весьма успешно — она сыграла главные роли в фильмах «Вторжение», «Молодость», «Половодье», «Шофёр на один рейс», «Нас венчали не в церкви», «Ученик лекаря», «Поезд вне расписания», «Бармен из «Золотого якоря»».
В 1986-м году 27-летней актрисе предложили главную роль в исторической картине «Николай Подвойский». Наталье предстояло скакать верхом на лошади, и она на протяжении нескольких месяцев занималась с тренером по конному спорту. На площадке за актрисой был закреплён спокойный молодой конь, но однажды ей вывели совсем другую лошадь.
Когда Наталья села в седло, старая лошадка взвилась от боли и сбросила Вавилову на землю. Актриса попала в больницу с травмой позвоночника. Уже в госпитале выяснилось, что Наталья ждёт ребёнка, однако сохранить беременность не удалось.
Актриса постепенно восстанавливалась, надеясь вернуться на площадку, тем более, что киногруппа пообещала её дождаться. Но уже через две недели Наталья узнала, что ей нашли замену. Такого предательства Вавилова простить не могла: взяла паузу в карьере и уехала с мужем путешествовать по Европе.
Случившаяся история навсегда подорвала веру актрисы в людей из мира кино и в саму себя. Супруг всеми силами пытался вернуть Наталье интерес к профессии, снял её в одной из главных ролей в своём боевике «Стервятники на дорогах».
После этого Вавилова приняла лишь одно предложение о съёмках — появилась в исторической драме Леонида Пчёлкина «Дело Сухово-Кобылина». В 35 лет актриса приняла решение навсегда распрощаться с кино, хотя режиссёры продолжали звать её в свои картины.
После завершения карьеры Наталья вместе с мужем жила в доме на Рублёвке и на публике не появлялась. Из-за последствий полученной травмы Наталья не смогла стать матерью. Однако актрису связывали тёплые отношения с дочерью мужа от первого брака Нино и внуками — Серго и Кетино.
Много времени супруги уделяли благотворительности и помощи детдомам. На своём участке Вавилова разбила сад, который был её главной отдушиной.
В последние годы супруг Натальи Вавиловой страдал от проблем с желудком и с сердцем. Чтобы оплатить лечение, Наталья уговорила мужа продать загородный дом и переехать в московскую квартиру. Самвел шёл на поправку, когда случилась новая беда — весной 2020 года супруги заболели коронавирусом.
Наталья смогла побороть недуг, а вот ослабленный организм Самвела с коварной болезнью не справился. Для Вавиловой потеря мужа, с которым она прожила больше сорока лет, стала невосполнимой утратой. К счастью, рядом с актрисой оказались падчерица, внуки и племянники.
Сегодня Наталья Вавилова по-прежнему ведёт тихий и непубличный образ жизни, заботится о любимой собаке, посещает музеи и храмы.
