Наталия Белохвостикова родилась в Москве в семье советского дипломата Николая Дмитриевича Белохвостикова, имевшего ранг чрезвычайного и полномочного посла, работавшего в Канаде, Великобритании, Швеции. Её мать Антонина Романовна Белохвостикова работала переводчицей. В 11-месячном возрасте будущую актрису увезли в Англию, где она провела пять лет. Дебют Наталии в кино состоялся в 1965 году. В это время режиссёр Марк Донской снимал в Стокгольме фильм «Сердце матери» — о Марии Александровне Ульяновой. Это был всего лишь небольшой эпизод, но он впоследствии сильно повлиял на судьбу актрисы.
Первой серьёзной работой Наталии Белохвостиковой в кино стала роль Лены Барминой в фильме Сергея Герасимова «У озера» (1969). В этом фильме студентке ВГИКа довелось стать партнёршей Василия Шукшина и других именитых актёров. За роль Лены Барминой вместе с рядом других участников съёмочной группы 19-ти летняя Белохвостикова получила Государственную премию СССР.
Кадр из художественного фильма «Сергей Есенин» (1972), снятого на киностудии «Мосфильм» режиссёром Сергеем Урусевским. В роли Анны Снегиной - актриса Наталья Белохвостикова.
Актриса Наталья Белохвостикова и кинорежиссёр Марк Донской на съемках художественного фильма «Надежда» (1973) Центральной студии детских и юношеских фильмов имени Горького.
Кадр из художественного фильма «Надежда», снятого в 1973 году режиссером Марком Донским. В роли Владимира Ленина - актёр Андрей Мягков, в роли Надежды Крупской - артистка Наталья Белохвостикова.
Наталья Белохвостикова в роли Ани и Николай Олялин в роли Платонова на съемках кинофильма «Океан» (1973) режиссёра Юрия Вышинского.
Актриса Наталья Белохвостикова в роли Анны Снегиной в фильме Сергея Урусевского «Пой песню, поэт» (1974) по сценарию Геннадия Шпаликова.
Артистка Наталья Белохвостикова в роли Неле, артист Лембит Ульфсак в роли Тиля и артист Евгений Леонов в роли Ламме в фильме «Легенда о Тиле Уленшпигеле» (1975).
Широкому телезрителю Наталия Белохвостикова стала хорошо известна после выхода в 1976 году на телеэкраны 5-серийного фильма Сергея Герасимова «Красное и чёрное» по роману Стендаля, где актриса снялась в главной роли — Матильды де Ла Моль.
«Стакан воды» (1979).
Владимир Высоцкий в роли Дон Гуана, Наталия Белохвостикова в роли Доны Анны в фильме «Маленькие трагедии» (1982) режиссёра Михаила Швейцера.
«Законный брак» (1985).