Актриса театра и кино. Заслуженная артистка России. Родилась в Горьком (Нижнем Новгороде). В 1979 году окончила Горьковское театральное училище (курс Б.А. Наравцевича и Р.Я. Левите), а затем в 1983 году – театральное училище имени Б. Щукина (художественный руководитель Ю.В. Катин-Ярцев). Дипломной работой Павленковой стала роль Лисистраты в спектакле по комедии Аристофана, поставленном Андреем Мекке.
Играла в спектаклях Московского Нового драматического театра, театра имени К.С. Станиславского, Центра драматургии и режиссуры под управлением А. Казанцева и М. Рощина. С 1988 года работает в театре имени К.С. Станиславского (с 2015 года – Электротеатр Станиславский).
Является доцентом Театрального института имени Бориса Щукина. В 2013 году Наталья Павленкова как художественный руководитель выпустила целевой курс при Театре имени К.С. Станиславского.
Фильмография актрисы включает картины «Любопытная Варвара-2», «Класс коррекции», «Зимний путь», «Сила сердца», «Защита», «Если нам судьба», «Не ходите, девки, замуж», «Зерно риса» (фильм-спектакль), «Не плачь, девчонка», «Инсомния», «Мама, я дома» (2021) и многие другие.
В 2016 году на 27-м кинофестивале «Кинотавр» была награждена призом за лучшую женскую роль за исполнение главной героини Наташи в фильме Ивана Твердовского «Зоология». За эту роль получила премию кинофестиваля BIAF в Батуми (Грузия) и была номинирована на премию Киноакадемии Азиатско-Тихоокеанского региона Asia Pacific Screen Awards («Азиатский Оскар») и премию «Ника».
В 2020 году на 42-ом международном кинофестивале в Каире награждена призом за лучшую женскую роль в фильме Ивана Твердовского «Конференция».