Наталья Нестерова родилась в Москве в семье архитекторов. В 1962 году окончила Московскую художественную школу при Институте имени В. И. Сурикова. С 1962 по 1968 год училась в Московском государственном художественном институте им. В. И. Сурикова. С 1969 года — член Союза художников СССР.
В первой половине 1970-х годов завоевала известность композициями, переиначивающими канон соцреалистической фигурно-сюжетной картины: героико-идиллические сцены труда и отдыха сменились здесь образами некоего заколдованного царства, погружённого в оцепенение или абсурдную маету. Ключевое значение для неё имели в ту пору образы крымских, кавказских и прибалтийских «народных здравниц» и «домов творчества». С конца 1970-х годов в живописи Нестеровой возобладали темы старинного города или парка. С годами на первый план в её живописи выходят религиозные мотивы, тоже получившие подобие загадочного маскарада, нарушающего привычные иконографические каноны.
Работы Натальи Нестеровой находятся в собрании Государственной Третьяковской галереи, Государственного Русского музея, в ММОМА и в собраниях других российских и зарубежных институций.