В 1979 году окончила Петрозаводский государственный университет по специальности «биология». В 1990 году получила степень кандидата биологических наук в Ботаническом институте имени В. Л. Комарова РАН. Пять лет спустя стала доктором биологических наук (Факультет почвоведения МГУ, 1995). С 28 октября.2016 является членом-корреспондентом Российской академии наук.
Входит в состав Диссертационного совета (Институт лесоведения РАН, Институт проблем экологии и эволюции им. А. Н. Северцова РАН, Всероссийский научно-исследовательский институт лесоводства и механизации лесного хозяйства). Возглавляет Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН. Является главным редактором журнала РАН «Лесоведение», входит в состав Консультативного совета Европейской лесной технологической платформы.
Основные научные интересы Натальи Васильевны лежат в таких сферах как экология лесов, лесная биогеохимия и почвоведение.