Natalie Dormer egy angliai kisvárosban, Readingben született 1982. február 11-én. Édesanyjával, mostohaapjával és két testvérével nőtt fel. Natalie a Chiltern Edge Secondary School-ban, valamint a Reading Blue Coat School-ban tanult. Az iskolai évek alatt táncot tanult az Allenova tánciskolában. Ideiglenesen helyet biztosítottak számára a Cambridge egyetem történelem szakán, de a történelem érettségin nem szerezte meg a felvételhez szükséges osztályzatot. Natalie ezután döntött a színjátszás mellett és Londonban, a neves Webber Douglas Academy of Dramatic Art drámát tanult.

Hat hónappal a tanulmányainak befejezését követően, 2005-ben megkapta a Casanova című romantikus vígjátékban Victoria szerepét. Natalie játéka annyira lenyűgözte Lasse Hallstrom rendezőt, hogy kiterjesztette a részét a filmben, ami eredetileg elég rövidke volt. A vívójelenetek pedig igen testhezállóak voltak a színésznő számára, hiszen a Natalie a Londoni Vívóakadémia tagja. A filmben nyújtott alakításának köszönhetően három filmre szóló ajánlatot kapott a Disney/Touchstone-tól. Szintén 2005-ben szerepelt a Distant Shores című sorozat egy epizódjában. A színésznő a Casanova forgatásának befejezését követően kilenc hónapos szünetet tartott. Szerződés kötötte egy független filmhez, amelynek forgatása folyamatosan csúszott pénzügyi problémák miatt. Ebben az időszakban pincérnőként és adatrögzítőként dolgozott. 2006-ban Phillippa Balfour szerepében tűnt fel a Rebus című sorozatban.

Natalie 2007 és 2008 folyamán két évadon keresztül formálta meg VIII. Henrik balsorsú második feleségét, Boleyn Annát a Tudorok című sorozatban. Annak ellenére, hogy az Emmy-díjátadón háttérbe szorult fantasztikus alakítása, Natalie mégis elnyerte a kritikusok elismerését a második évadban nyújtott alakításááért.

2008-ban Natalie-t Moira Nicholson szerepében láthattuk a Miss Marple történeteinek egyik részében (Miért nem szóltak Evansnek?). A tévéfilm mellett szerepelt még a Dubai álmok és Fence Walker című filmekben, valamint a Masterwork című tévéfilmben. Natalie 2011 márciusában debütált a Young Vic színház színpadán a Sweet Nothings című darabban.

Hathónapnyi színházi szerepélést követően tért vissza a filmezéshez. York hercegnéjét alakította a W.E. című filmben, Lorraine közlegényt az Amerika kapitány - Az első bosszúálló című képregényfilmben és feltűnt a BBC Silk című bírósági drámájában. 2010-ben visszatért Boleyn Annaként a Tudorok záró évadának egyik álombeli jelenetében.

Natalie 2012 óta alakítja Margaery Tyrell szerepét a Trónok harca című nagyszabású HBO-produkcióban. 2012 márciusában visszatért a Young Vic színpadára, ahol az After Miss Julie című darab címszerepét játszotta el. 2013-ban feltűnt a Hajsza a győzelemért című drámában és A jogász című thrillerben, valamint az A Long Way from Home című romantikus drámában. A filmszerepek mellett Natalie a Sherlock és Watson című CBS-sorozat első és második évadában alakította Irene Adler-t. Az éhezők viadala - A kiválasztott 1. és 2. részében pedig Cressida-t alakítja, amely szerep kedvéért leborotválta a haját a feje bal oldalán.

2015 augusztusában került adásba a BBC Hallie Rubenhold történész könyvén alapuló, The Scandalous Lady W című drámája. Natalie-t a botrányos életű 18. századi nemesasszony, Lady Worsley szerepében láthattuk. A színésznő Patient Zero és The Forest című filmjei jelenleg az utómunkálati fázisban járnak, és a tervek szerint 2016-ban kerülnek bemutatásra.

Natalie nagy pókerjátékos, és részt vett a PartyPoker.com Women’s World Open in London elnevezésű versenyen is, ahol második lett a hírességek fordulójában. Natalie 2011 óta Anthony Byrne ír filmrendezővel jár jegyben, akivel 2007-ben a Tudorok írországi forgatása alatt találkozott.