Родилась 12 марта 1974 года в Москве. Окончив школу, Наталия решила стать актрисой и поступила в ВТУ имени Щукина. Её сокурсницами были Ольга Будина и Елена Захарова.

Наталия "заразила" театром и своих ближайших родственников. В последствии актёрами стали младшая сестра Наталии - Светлана (она снялась в сериале "Вокзал") и двоюродный брат Олег Мосалев (он играет в Российском молодежном театре).
С 1997 года Наталия Антонова - актриса Театра имени Гоголя.

Была замужем за актером Александром Вершининым. В настоящий момент Наталья замужем за врачом-гинекологом Николаем Семеновым. Мать троих сыновей - Артема, Никиты и Максима.