Родилась 18 марта 1980 г. в с. Михайловка Перевальского района Ворошиловградской области Украинской ССР (ныне - Луганская область, Украина). В 1990 г. вместе с родителями переехала в г. Евпаторию (Крымская область Украинской ССР; ныне - Республика Крым, РФ).
В 2002 г. окончила филиал Харьковского университета внутренних дел в Евпатории.
С 2002 по 2006 г. работала помощником прокурора Красногвардейского района Крыма.
В 2006-2010 гг. - помощник прокурора г. Евпатории.
В 2010-2011 гг. - прокурор, заместитель начальника отдела надзора за соблюдением законов спецподразделениями и иными учреждениями, ведущими борьбу с организованной преступностью, прокуратуры Автономной Республики Крым.
В 2011 г. возглавила Симферопольскую межрайонную природоохранную прокуратуру.
С октября по декабрь 2012 г. занимала должность начальника отдела участия прокуроров в рассмотрении дел апелляционным судом Автономной Республики Крым.
С декабря 2012 г. по март 2014 г. работала в должности старшего прокурора 2-го отдела процессуального руководства досудебным расследованием и поддержания государственного обвинения Управления надзора за соблюдением законов органами внутренних дел Главного управления надзора за соблюдением законов в уголовном производстве Генеральной прокуратуры Украины.
Не поддержала смену власти на Украине в феврале 2014 г. после событий "евромайдана". 25 февраля 2014 г. написала рапорт об увольнении. Свое решение обосновала тем, что ей "стыдно жить в стране, где по улицам свободно разгуливают неофашисты и диктуют свои условия так называемой новой власти".
10 марта 2014 г. решением Верховного совета Крыма назначена на должность прокурора Автономной Республики Крым (с 17 марта - Республики Крым). По словам Натальи Поклонской, предложение занять пост прокурора она получила от Сергея Аксенова, занимавшего на тот момент должность председателя Совета министров республики. До нее несколько кандидатов на пост прокурора Крыма отказались от должности. По словам Натальи Поклонской, перед назначением она неоднократно получала угрозы.
25 марта 2014 г., после воссоединения Крыма с РФ, приказом Генерального прокурора РФ Юрия Чайки была создана прокуратура Республики Крым. Наталья Поклонская назначена исполняющей обязанности прокурора Крыма.
17 марта 2014 г. Шевченковский районный суд Киева дал разрешение на ее задержание и приведение в суд для избрания меры пресечения в виде содержания под стражей. В отношении нее возбуждено уголовное дело по ч. 1 ст. 109 УК Украины - "действия, предпринятые с целью насильственной смены или свержения конституционного строя или захват государственной власти, а также сговор об осуществлении таких действий". МВД Украины включило Наталью Поклонскую в список "лиц, скрывающихся от органов досудебного расследования".
С 2 мая 2014 г. по 6 октября 2016 г. - прокурор Республики Крым. Присягу приняла 7 мая 2014 г. После назначения и. о. прокурора Крыма Наталья Поклонская получила популярность в сети Интернет: видео ее первой пресс-конференции набрало несколько миллионов просмотров.
В 2014 г. была включена в санкционные списки, введенные Евросоюзом, Канадой, Японией, Швейцарией, Австралией и США против граждан РФ после воссоединения Крыма с Россией.
В 2016 г. баллотировалась в Госдуму РФ VII созыва по списку "Единой России" (четвертый номер региональной группы по Крыму и Севастополю). По итогам выборов 18 сентября 2016 г. депутатский мандат получил первый номер региональной группы, глава Крыма Сергей Аксенов, однако он отказался от места в нижней палате парламента.
28 сентября 2016 г. Поклонской был передан освободившийся мандат Сергея Аксенова, она была зарегистрирована депутатом 30 сентября. Вошла во фракцию "Единая Россия".
26 сентября 2016 г. написала заявление об освобождении от должности прокурора Крыма в связи с избранием в Госдуму РФ. По словам Поклонской, она "приостанавливает полномочия на время работы в Госдуме". 6 октября 2012 г. указом президента РФ уволена с должности прокурора Крыма.
С 5 октября 2016 г. по 10 сентября 2019 г. - заместитель председателя комитета ГД по безопасности и противодействию коррупции.
С 5 октября 2016 г. по 13 сентября 2018 г. - председатель комиссии по контролю за достоверностью сведений о доходах, об имуществе и обязательствах имущественного характера, представляемых депутатами Госдумы. Лишилась поста в связи с упразднением комиссии (в Госдуме была создана комиссия по вопросам контроля за достоверностью сведений о доходах, об имуществе и обязательствах имущественного характера, представляемых депутатами Государственной думы, мандатным вопросам и вопросам депутатской этики, которую возглавил Отари Аршба).
В ноябре 2016 г. направила депутатский запрос в Генеральную прокуратуру с просьбой проверить фильм Алексея Учителя "Матильда" (об отношениях императора Николая II с балериной Матильдой Кшесинской) на предмет экстремизма, оскорбления чувств верующих, искажения истории, а также махинаций при финансировании. В связи с этим премьера картины, первоначально намеченная на весну 2017 г., была отложена на полгода. Впоследствии Наталья Поклонская выступала в СМИ как главный противник выхода фильма на экраны. Сам Алексей Учитель все претензии отверг.
19 июля 2018 г. при рассмотрении Госдумой в первом чтении законопроекта, предполагающего повышение пенсионного возраста, Наталья Поклонская единственная среди членов фракции "Единая Россия" проголосовала против принятия документа (всего за высказались 328 депутатов, против - 104). По ее словам, изменения пенсионного законодательства нужны, но предложенный правительством проект требует доработки.
С 10 сентября 2019 г. - заместитель председателя думского комитета по международным делам.
В мае 2021 г. стала участником предварительного голосования (праймериз) "Единой России" по отбору кандидатов в депутаты Госдумы РФ на предстоящие сентябрьские выборы. Однако 29 мая, за день до окончания голосования, направила в "Единую Россию" официальное заявление о снятии своей кандидатуры с праймериз. По словам Натальи Поклонской, по завершении депутатских полномочий она намерена перейти на новое место работы.
Общая сумма декларированного дохода за 2015 г. составила 2 млн 323 тыс. 180 руб.
Общая сумма декларированного дохода за 2016 г. составила 2 млн 612 тыс. руб.
Общая сумма декларированного дохода за 2017 г. составила 4 млн 549 тыс. руб.
Общая сумма декларированного дохода за 2018 г. составила 4 млн 737 тыс. руб., супруга - 4 млн 933 тыс. руб.
Общая сумма декларированного дохода за 2019 г. составила 5 млн 410 тыс. руб.
Общая сумма декларированного дохода за 2020 г. составила 5 млн 629 тыс. руб.
Государственный советник юстиции III класса (2015; соответствует воинскому званию генерал-майора).
Награждена орденом Республики Крым "За верность долгу" (2015).
В 2018 г. снялась в первом полнометражном художественном фильме провозглашенной Луганской народной республики (ЛНР) "Ополченочка" по сценарию Бориса Табачника (сыграла саму себя в эпизоде).
У Натальи Поклонской есть дочь Анастасия.
Играет на фортепиано.