Natalia Wörner wurde am 7. September 1967 in Stuttgart geboren und wuchs in einem Frauenhaushalt mit vier Generationen unter einem Dach auf. Nach dem Abitur begann sie als Model in Paris, Mailand und New York zu arbeiten, danach zog sie nach New York und studierte an Lee Strasbergs Actors Studio Schauspiel. Zurück in Deutschland stand sie zunächst in kleinen Theaterproduktionen in Hamburg auf der Bühne.

Ihre ersten Kinorollen spielte Wörner in Sherry Hormans "Frauen sind was Wunderbares" und Leo Hiemers "Leni" (beide 1993), noch im selben Jahr war sie in Dominik Grafs Actionthriller "Die Sieger" zu sehen. Kurz darauf stand sie bereits neben Gérard Depardieu in der internationalen Produktion "Die Maschine"(1994) und in Hormans "Irren ist männlich" (1995) vor der Kamera.

In den folgenden Jahren arbeitete sie mit den renommiertesten deutschen Film- und Fernseh-Regisseuren zusammen und avancierte selbst zu einer der renommiertesten deutschen Schauspielerinnen. Sie überzeugte nicht nur mit ihrer klassischen Schönheit, sondern auch mit ihrem darstellerischen Können in Kino- und TV-Filmen wie "mammamia" (1998), Friedemann Fromms "Zum Sterben schön" (1997), im hoch gelobten TV-Dreiteiler "Der Laden" (1998), in "Der Rosenmörder" (1998) oder "Das Tal der Schatten" (1999). Im Kino war sie nach einer Nebenrolle in Oskar Roehlers "Suck My Dick" (2001) kaum noch zu sehen.

Im Jahr 2000 wurde Natalia Wörner für ihre Rollen im Fernsehkrimi "Bella Block - Blinde Liebe", bei dem sie auch am Drehbuch mitgearbeitet hatte, und in Vivian Naefes "Frauen lügen besser" mit dem Deutschen Fernsehpreis als beste Hauptdarstellerin ausgezeichnet. Seit 2001 zog es sie auch immer wieder auf die Theaterbühne.

Neben diversen anderen Auftritten in Fernsehproduktionen wie etwa "Tatort" war Natalia Wörner von 2006 bis 2010 als Ermittlerin in der Krimireihe "Unter anderen Umständen" zu sehen. Im Historien-Achtteiler "Die Säulen der Erde" (2010) nach Ken Follett spielte sie eine der Hauptrollen.

Weihnachten 2004 überlebte Natalia Wörner im thailändischen Khao Lak den verheerenden Tsunami, woraufhin sie 2005 die Tsunami Direkthilfe e. V. gründete. Seit 2006 ist sie auch Botschafterin für die Kindernothilfe e.V. Ebenfalls 2006 heiratete Wörner den Schauspieler Robert Seeliger, die Ehe wurde jedoch 2008 wieder geschieden. Natalia Wörner lebt mit dem gemeinsamen Sohn in Berlin.