Актриса театра и кино. Народная артистка РФ.
Родилась в городе Белогорске (Крым). Окончила Высшее театральное училище имени М.С. Щепкина в 1990 году. Сразу же после выпуска была принята в труппу театра «Сатирикон».
Первая роль Стеллы в спектакле «Великолепный рогоносец» режиссера Петра Фоменко принесла Наталии Вдовиной театральную премию «Хрустальная Турандот» за лучший дебют.
В «Сатириконе» сыграла практически все главные женские роли мирового репертуара у крупнейших режиссеров. В послужном списке актрисы – Сестра из «Превращения» по Ф. Кафке (режиссер В. Фокин, 1995), Полли Пичем из «Трехгрошовой оперы» по Б. Брехту (режиссер В. Машков, 1996), Офелия в «Гамлете» У. Шекспира (режиссер Р. Стуруа, 1998), заглавная роль в «Гедде Габлер» по Г. Ибсену (режиссер Н. Чусова, 2001).
Встреча с режиссером Ю. Бутусовым подарила актрисе новые крупные работы в шекспировских трагедиях: роль леди Анны и Маргариты в «Ричарде III» (2004) и Корделии в «Короле Лире» (2006).
В творческой копилке Наталии Вдовиной – три большие роли в чеховской трилогии А. Кончаловского в Театре имени Моссовета: Варя в «Вишневом саде», Елена Андреевна в «Дяде Ване» и Наталья Ивановна в «Трех сестрах». Серьезный актерский опыт игры в пьесах А. П. Чехова раскрылся работой в сатириконовском спектакле Константина Райкина «Ваня и Соня и Маша и Гвоздь» (2017). Пьеса титулованного американца К. Дюранга написана под впечатлением от известных чеховских пьес, и роль Маши, которую играет Наталия Вдовина, вбирает в себя образы многих пресловутых чеховских героинь.
В 2020 году актриса сыграла заглавную роль в московском дебюте молодого режиссера Владимира Жукова «Дорогая Елена Сергеевна» по пьесе Людмилы Разумовской.
Среди наиболее известных киноработ – «Возвращение» Андрея Звягинцева, «Заказ» Веры Глаголевой, «Возврат» Славомира Фабицки, «Очарование зла» Михаила Казакова, «Исаев» Сергея Урсуляка, «Как Витька Чеснок вез Леху Штыря в дом инвалидов» Александра Ханта, «Ваш репетитор» Антона Коломейца.
Лауреат премии «Хрустальная Турандот» (1994), «Чайка» (2001, 2006), премии Мэрии Москвы в области литературы и искусства (1999). Лауреат театральной премии газеты «Московский комсомолец» сезона 2012-2013.