Актриса, заслуженная артистка РСФСР Наталья Владимировна Варлей родилась 22 июня 1947 года в румынском городе Констанца в семье капитана дальнего плавания. Ее детство прошло в Мурманске, а в конце 1950-х годов семья поселилась в Москве.
В 1965 году Варлей окончила Училище циркового и эстрадного искусства и пришла в труппу Московского цирка на Цветном бульваре. Работала эквилибристкой. Некоторое время выступала в одном номере со знаменитым клоуном Леонидом Енгибаровым: танцевала на трапеции с кастаньетами, сидя на стульчике, играла на концертино.
Именно благодаря Енгибарову Варлей попала в кино. В 1966 году на одно из ее выступлений пришел друг клоуна режиссер Одесской киностудии Георгий Юнгвальд-Хилькевич. Наталья настолько понравилась ему, что он предложил ей небольшую роль медсестры в фильме "Формула радуги". Картину на экран тогда так и не выпустили. Однако на съемках фильма на Варлей обратила внимание ассистентка Леонида Гайдая и пригласила на пробы "Кавказской пленницы".
На роль студентки-комсомолки Нины в фильме претендовали около 500 актрис, среди которых были такие звезды советского кино, как Наталья Фатеева, Наталья Кустинская, Валентина Малявина. Но Гайдай выбрал никому не известную 19-летнюю артистку цирка.
После съемок в фильме "Кавказская пленница" Варлей покинула цирк и поступила в театральное училище имени Щукина.
В конце октября 1967 года на экраны вышла картина Константина Ершова "Вий", в которой Варлей сыграла роль Панночки. Это был первый фильм ужасов в отечественном кино.
В конце 1960-х годов актриса также снялась в "Семи невестах ефрейтора Збруева", "12-ти стульях".
Заметной работой Варлей в кино в 1990-е годы был фильм "Волшебник Изумрудного города" (1994), где она сыграла сразу двух ведьм: Гингему и Бастинду.
С середины 1990-х годов актриса практически перестала играть в кино. В 2006 году она исполнила роль матери Кендарат в фильме "Волкодав".
Варлей пишет стихи, в 1994 году окончила факультет поэзии Литературного института. Автор стихотворных сборников "Любовь" и "Кружась над золотыми куполами".
