Наталья Водянова родилась в Нижнем Новгороде в 1982 году в семье матери-одиночки, воспитывавшей трех дочерей. Финансовое положение семьи было настолько тяжелым, что в 11 лет Наталья подрабатывала, продавая фрукты на рынке, чтобы помогать матери в воспитании сестры Оксаны, родившейся с тяжелой формой ДЦП. Среднюю школу Наталья не окончила, отучившись лишь до девятого класса и поступив в Нижегородский педагогический колледж, обучение в котором также пришлось прервать.

В 15 лет Наталья начала сотрудничать с агентством Евгении Чкаловой, где постигла азы модельной профессии. Поворотным моментом в жизни Водяновой стал кастинг, на котором ее заметил фотограф Алексей Васильев. Именно он отправил фото Водяновой в модельное агентство Viva и настоятельно советовал ей учить английский. Вскоре Наталью пригласили работать в Москву, а затем — в Париж. За три года девушка добилась невероятного успеха. В 17 лет подписала контракт с парижским модельным агентством, а еще через год появилась на обложках Marie Claire и Elle.
Карьера Натальи развивалась стремительно: в 2001-м она приняла участие в пятнадцати показах prêt-à-porter, а уже в следующем году — в пятидесяти трех, став самой востребованной моделью Нью-Йоркской недели моды. В том же году подписала эксклюзивный контракт с Calvin Klein на несколько миллионов долларов. Впервые на обложке американского Vogue Водянова оказалась в 2004-м вместе с восемью другими моделями, а в 2007-м она удостоилась сольной кавер-стори. Стоит отметить, что до Натальи лишь три модели появлялись на обложке Vogue US в одиночку: традиционно ее отдавали лишь селебрити. К 2008 году в ее портфолио несколько десятков рекламных кампаний для ведущих мировых марок — Chanel, Guerlain, Prada, Stella McCartney, H&M, Givenchy, Louis Vuitton, Yves Saint Laurent, L'Oréal, David Yurman, Marc Jacobs, Versace, — сотни обложек глянцевых журналов и разработка капсульных коллекций для различных брендов. Модель трижды снималась для календаря Pirelli (2003, 2015, 2016), а также участвовала в съемках нескольких фильмов.
С 2020 года Водянова замужем за Антуаном Арно, сыном Бернара Арно — французского бизнесмен-миллиардера, президента и CEO конгломерата Louis Vuitton Moët Hennessy.