Natalie Dormer se narodila 11. února 1982 v Readingu, Berkshire, Anglie. Její rodina má částečně irské, velšské a norské kořeny. Má sestru Samanthu a bratra Marka. Navštěvovala Chiltern Edge School a poté Reading Blue Coat School, soukromou střední školu, která v té době přijímala dívky na šestý ročník. Během studia se Natalie aktivně věnovala mnoha mimoškolním aktivitám. Byla členkou školního debatního týmu, zpívala ve školním sboru a hrála na mnoha sportovních hřištích, včetně netballu, kde byla v krajském týmu, a šermu.
Původně plánovala studovat historii na univerzitě, ale po neúspěchu u přijímacích zkoušek na Cambridge se rozhodla pro herectví. V devatenácti letech se přestěhovala do Londýna a nastoupila na prestižní Webber Douglas Academy of Dramatic Art, kde se věnovala intenzivnímu studiu hereckého řemesla. Během svého působení na akademii pracovala také jako servírka, aby si přivydělala. Studium úspěšně dokončila v roce 2005.
Krátce po absolvování se Natalie Dormer dočkala své první filmové role. Pouhé tři měsíce po opuštění akademie byla obsazena do role Victoria ve filmu „Casanova“ (2005) po boku Heath Ledgea a Jeremyho Ironse. Režisér Lasse Hallström byl jejím výkonem tak uchvácen, že nechal rozšířit její roli. I když šlo o menší part, film jí otevřel dveře k dalším projektům.
Skutečný průlom však přišel o rok později. V roce 2007 získala roli, která jí přinesla mezinárodní uznání a etablovala ji jako výraznou herečku historických dramat. Byla to role Anny Boleynové v kritikou oceňovaném historickém seriálu „Tudorovci“ (The Tudors). Ztvárnila druhou manželku krále Jindřicha VIII. po dvě série, v letech 2007 a 2008, a její výkon byl široce chválen pro svou komplexnost a hloubku. Za tuto roli byla nominována na dvě ceny Gemini Awards. Znovu se objevila v epizodě čtvrté série v roce 2010 v snové sekvenci.
Během let 2009 a 2010 se objevila v několika menších filmových rolích, například v hororu „Fencewalker“ a ve filmu „City of Life“. Také se vrátila na divadelní prkna v roce 2010 v produkci hry „Sweet Nothings“ v Young Vic Theatre.
Rok 2012 znamenal další zlom v její kariéře. Natalie Dormer se připojila k obsazení fantasy seriálu „Hra o trůny“ (Game of Thrones) stanice HBO, který se stal celosvětovým fenoménem. Ztvárnila ambiciózní a politicky obratnou Margaery Tyrell, která se postupně stala královnou sedmi království. Její postava se objevila od druhé až do šesté série, kde se stala jednou z nejoblíbenějších a nejvíce intrikujících postav seriálu. Její schopnost navigovat politické spletitosti a manipulovat s mocnými muži jí vynesla velkou popularitu u diváků i kritiků. Byla součástí obsazení, které bylo čtyřikrát nominováno na Screen Actors Guild Award za vynikající výkon v dramatickém seriálu.
Souběžně s „Hrou o trůny“ si Natalie Dormer vybudovala silnou filmovou kariéru. V roce 2013 se objevila ve sportovním dramatu „Rivalové“ (Rush) režiséra Rona Howarda, kde hrála zdravotní sestru Gemmu. Téhož roku si zahrála malou roli ve filmu „Konzultant“ (The Counselor) Ridleyho Scotta. Zahrála si také ve videoklipu Hoziera k písni „Work Song“.
Jednou z jejích nejvýraznějších filmových rolí se stala postava Cressidy ve filmové sérii „Hunger Games“. Objevila se ve třetím a čtvrtém díle ságy – „Hunger Games: Síla vzdoru 1. část“ (The Hunger Games: Mockingjay – Part 1, 2014) a „Hunger Games: Síla vzdoru 2. část“ (The Hunger Games: Mockingjay – Part 2, 2015). Pro tuto roli si oholila část hlavy, což se stalo jejím charakteristickým vzhledem a ukázalo její ochotu k fyzickým proměnám pro role.
Po skončení jejího působení v „Hře o trůny“ se Natalie Dormer nadále věnovala rozmanitým projektům. V roce 2016 si zahrála hlavní roli ve filmu „Les sebevrahů“ (The Forest), což byl její první hororový film. Téhož roku se objevila v akčním thrilleru „Agenti bez minulosti“ (Patient Zero). V roce 2018 se objevila v psychologickém thrilleru „In Darkness“, ke kterému napsala scénář spolu se svým tehdejším snoubencem Anthonym Byrnem. Hrála v něm nevidomou pianistku, která se zaplete do kriminálního podsvětí.
V roce 2018 se také vrátila k historickým dramatům v minisérii „Piknik u Hanging Rock“ (Picnic at Hanging Rock), kde ztvárnila záhadnou ředitelku školy paní Appleyardovou. Její výkon byl opět chválen kritiky.
Natalie Dormer se věnuje i hlasovému herectví. Propůjčila svůj hlas postavám ve videohrách, jako je „Mass Effect: Andromeda“ (2017), kde dabovala doktorku Lexi T’Perro, a v animovaném seriálu „Temný krystal: Věk vzdoru“ (The Dark Crystal: Age of Resistance, 2019) od Netflixu, kde dabovala Onici. V roce 2019 si zahrála v britsko-německém sci-fi seriálu „Spides“.
V roce 2020 se objevila v hlavní roli v seriálu „Penny Dreadful: Město andělů“ (Penny Dreadful: City of Angels), spin-offu populárního hororového seriálu, kde ztvárnila démonickou postavu Magdu, která dokáže měnit podobu.
V osobním životě byla Natalie Dormer v dlouholetém vztahu s irským režisérem a scenáristou Anthonym Byrnem, se kterým se seznámila v roce 2007 při natáčení „Tudorovců“. Zasnoubili se v roce 2011, ale v roce 2018 svůj vztah ukončili. Později navázala vztah s britským hercem Davidem Oakesem. V roce 2021 se jim narodila dcera. Natalie je známá svou vášní pro běhání, v roce 2016 dokončila Londýnský maraton. Také je patronkou několika charitativních organizací.
Mezi její nedávné projekty patří například seriál „White Sands“, který se natáčel na Kanárských ostrovech a měl by mít premiéru v roce 2024.