Natja Brunckhorst wurde am 26. September 1966 in Berlin (West) geboren. Zur Schauspielerei kam sie rein zufällig, als sie mit 13 Jahren auf dem Schulhof entdeckt und schließlich in der Titelrolle von "Christiane F. – Wir Kinder vom Bahnhof Zoo" besetzt wurde. Der Film kam 1981 in die Kinos, und mit ihrer eindringlichen Verkörperung einer jugendlichen Drogenabhängigen begeisterte Brunckhorst Kritik und Publikum gleichermaßen. Im Jahr darauf sah man sie in einer kleinen Rolle von Rainer Werner Fassbinders "Querelle". Allerdings fühlte die Teenagerin sich von dem plötzlichen Medienrummel um ihre Person überfordert, weshalb sie für mehrere Jahre nach Großbritannien umzog, gefolgt von einem Jahr in Paris.

1987 kehrte sie nach Deutschland zurück, wo sie bis 1991 eine Ausbildung an der Schauspielschule Bochum absolvierte. Während dieser Zeit sah man sie unter anderem in Dominik Grafs Freundschaftsgeschichte TV-Film "Tiger, Löwe, Panther" (1989) in einer Hauptrolle als feministische Buchhändlerin. Eine weitere Hauptrolle hatte sie in Ralf Huettners Horrorfilm "Babylon - Im Bett mit dem Teufel" (1992).

1993/1994 zog Brunckhorst sich aufgrund einer Krebserkrankung zeitweise von der Schauspielerei zurück. In den folgenden Jahren sah man sie in einigen Fernsehproduktionen, zum Beispiel an der Seite von Inga Busch in dem Großstadtmärchen "Eine fast perfekte Liebe" (1996), und in "Das verletzte Lächeln" (1996) als umschwärmtes Fotomodell, dessen Leben durch einen Unfall aus den Fugen gerät. Im Kino hatte sie Nebenrollen unter anderem in der Komödie "Dumm gelaufen" (1997) und Tom Tykwers "Der Krieger und die Kaiserin" (2000).

1997 begann Natja Brunckhorst auch als Drehbuchautorin zu arbeiten, zunächst für die Fernsehserie "Einsatz Hamburg Süd". Für ihr Drehbuch "Wie Feuer und Flamme" (2001, Regie: Connie Walther), eine autobiografisch inspirierte Coming-of-Age-Geschichte, erhielt sie den Deutschen Filmpreis. Im gleichen Jahr drehte Brunckhorst mit der Liebesgeschichte "La Mer" ihren ersten eigenen Kurzfilm. 2003 war sie eines der Gründungsmitglieder der Deutschen Filmakademie.

Als Schauspielerin trat Brunckhorst danach nur noch sehr vereinzelt in Erscheinung. In Jessica Krummachers "Totem", der 2011 bei den Filmfestspielen in Venedig uraufgeführt wurde, spielte sie in der Hauptrolle eine Frau, deren Familie in Sprachlosigkeit erstarrt ist. Als Autorin schrieb sie die Berliner "Tatort"-Episoden "Oben und unten" (2009) und "Dinge, die noch zu tun sind" (2012) des Ermittlerteams Ritter und Stark, sowie die "Polizeiruf 110"-Episode "Und vergib uns unsere Schuld" (2016).

2017 startete der von Brunckhorst geschriebene Jugendfilm "Amelie rennt" in den Kinos, die Geschichte eines asthmakranken Mädchens, das sich mit einem Bauernjungen auf eine abenteuerliche Bergtour begibt. Beim Festival Goldener Spatz 2017 erhielten Brunckhorst und Regisseur Tobias Wiemann die Auszeichnung für den Besten deutschsprachigen Spielfilm für Kinder.

Ihr Langfilmdebüt als Regisseurin gab Natja Brunckhorst mit der Beziehungsgeschichte "Alles in bester Ordnung" (2021). Beim Festival des deutschen Films in Ludwigshafen erhielt sie dafür den Regiepreis. Mit der Nachwende-Tragikomödie "Zwei zu Eins" stellte Brunckhorst beim Münchner Filmfest 2024 ihren zweiten Langfilm als Autorin und Regisseurin vor.