Наталья 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 (мастерская проф. Д. Д. Жилинского). С 1969 года — член Союза художников СССР. С 1992 — профессор кафедры сценографии Российской Академии театрального искусства (РАТИ), лауреат Государственной премии Российской Федерации. В 2003 году — Лауреат премии «Триумф». Является действительным членом Российской Академии художеств. В настоящее время живёт и работает в Москве и США (c 1988 года).
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.
Персональные выставки
1974 Однодневная выставка. Дом художника на Кузнецком мосту, Москва
1988 Новые работы из Москвы. HAL Bromm Gallery, Нью-Йорк, США
1989 Наталья Нестерова и Лазарь Гадаев. Центральный Дом [удожника, Москва
1990 Natalya Nesterova. Recent works from Moscow. HAL Bromm Gallery, Нью-Йорк, США
1991 Наталья Нестерова: новое искусство. Maya Polsky Gallery, Чикаго, США
Новое искусство. Наталья Нестерова (из частных собраний). Charles Cowles Gallery, Нью-Йорк, США
1992 Natalia Nesterova. The Montreal Museum of Fine Arts, Канада
Совместно с Т. Назаренко. Галерея Фернандо Дюран, Мадрид, Испания
1993 Наталья Нестерова: 10 картин. Галерея Московская палитра, Берлин, Германия
Галерея Арт Модерн (совместно со скульптором Лазарем Гадаевым), Москва
Maya Polsky Gallery, Чикаго, США
1994 Hal Bromm Gallery, Нью-Йорк, США
1995 Maya Polsky Gallery, Чикаго, США
1996 Hal Bromm Gallery, Нью-Йорк, США
1997 Наталья Нестерова. Центральный Дом художника, Москва
Natalia Nesterova. Painting. Галерея русского искусства, Таллин, Эстония
2005 Отражения утраченного времени. Государственный Русский музей, Санкт-Петербург
2012 Ожидание. Галерея Вересов, Москва
2013 Генеральная репетиция юбилея. Frolov Gallery, Москва
2014 Окно в Париж. Z&L Gallery, Москва
Воспоминания об уходящем лете. ЮВС арт-галерея, Москва
Коллекции
Архангельский художественный музей, Россия
Брянский областной художественный музей, Россия
Вологодская областная картинная галерея, Россия
Галерея современного искусства ARTSTORY, Москва
Государственная картинная галерея Грузии, Тбилиси
Государственная Третьяковская галерея, Москва
Государственный музей-заповедник Ростовский Кремль, Россия
Государственный музей искусств имени А. Кастеева, Алма-Ата, Казахстан
Государственный музей искусств народов Востока, Москва
Государственный Русский музей, Санкт-Петербург
Дальневосточный художественный музей, Хабаровск, Россия
Екатеринбургский музей изобразительных искусств, Россия
Запорожский областной художественный музей, Россия
Ивановский областной художественный музей, Россия
Иркутский областной художественный музей имени В. П. Сукачёва, Россия
Историко-архитектурный и художественный музей Новый Иерусалим, Истра, Россия
Кемеровский областной музей изобразительных искусств, Россия
Киевский художественный музей, Россия
Китайский национальный музей искусств, Пекин
Красноярский государственный художественный музей имени В. И. Сурикова, Россия
Курская областная картинная галерея имени А. А. Дейнеки, Россия
Курганский областной художественный музей, Россия
Людвиг Форум, Ахен, Германия
Магаданский областной краеведческий музей,Россия
Монреальский музей изящных искусств, Канада
Московский музей современного искусства, Москва
Музей актуального искусства ART4.RU, Москва
Музей изобразительных искусств Кыргызстана имени Г. Айтиева, Бишкек
Музей изобразительных искусств Республики Карелия, Петрозаводск, Россия
Музей Марка Шагала, Витебск, Россия
Музей П. Людвига, Будапешт, Венгрия
Музей П. Людвига, Кёльн, Германия
Музей современного искусства Соломона Гуггенхайма, Нью-Йорк, США
Национальный Еврейский музей Б’най Б’рит Клутцник, Вашингтон, США
Национальный музей Женщины в искусстве, Вашингтон, США
Национальный музей современного искусства, Сеул, Южная Корея
Национальный художественный музей Республики Саха, Якутск, Россия
Нижнетагильский муниципальный музей изобразительных искусств, Россия
Новокузнецкий художественный музей, Россия
Новосибирский государственный художественный музей, Россия
Омский областной музей изобразительного искусства имени М. А. Врубеля, Россия
Оренбургский областной музей изобразительных искусств, Россия
Пермская государственная художественная галерея, Россия
Ростовский областной музей изобразительных искусств, Россия
Саратовский художественный музей имени А. Н. Радищева, Россия
Словацкая национальная галерея, Братислава
Томский музей изобразительных искусств, Россия
Хофстра музей, Нью-Йорк, США
Kolodzei Art Foundation, Нью-Джерси, США
Zimmerli Art Museum, Нью-Джерси, США