Натали Дормер родилась 11 февраля 1982 года в Рединге, Великобритания.

Училась Натали в школах Chiltern Edge и Reading Blue Coat, а также посещала школу танцев Allenova School of Dancing.

После окончания средней школы, Дормер поступила в Академию драматического искусства Уэббера Дугласа, где также актерскому мастерству обучались актёры Руперт Френд, Мэттью Гуд, Хью Бонневилль и актриса Минни Драйвер.

В 2005 году состоялся дебют актрисы в кино, она сыграла роль Виктории в фильме «Казанова».

После этого фильма актриса подписала контракт с компанией Disney Touchstone на участие в трёх фильмах, но проекты та и не были реализованы.

В 2007 году Натали снялась в фильме «Без изъяна», главную роль в котором исполнила Деми Мур.

В том же 2007 году актриса получила главную роль в сериале «Тюдоры». За эту роль Натали удостоилась премии «Gemini Awards» в номинации «Лучшее исполнение драматической роли» в 2008 и 2009 годах.

В 2009 году Натали получила роль в телефильме «Мисс Марпл: Ответ знает Эванс», а в 2010 году в фильме «Царство теней».

В том же 2010 году Натали дебютировала на театральной сцене Лондонского театра Янг-Вик, она исполнила роль в трагикомедии «Sweet Nothings».

В 2011 году Дормер исполнила главную роль в первых шести эпизодах в сериале «Шелк», а также снялась в фильмах «Первый мститель» «МЫ. Верим в любовь» и «По».

В том же 2011 году актриса получила роль Маргери Тирелл в сериале «Игра престолов».

В 2013 году Натали снялась в телесериале «Элементарно», главные роли в котором играют Джонни Ли Миллер и Люси Лью.