Отец актрисы - харьковчанин, украинец Николай Степанович Захаренко (1912-1980), мать - русская Мария Степановна Зудилова (1912-1996), дочь купца, родом из Барнаула. Дедушка и бабушка по отцовской линии Степан Захаренко и Евдокия Савченко во время Февральской революции 1917 года переехали из Харькова во Владивосток. а затем семья перебралась в Америку. Родители Натали, став гражданами США, изменили фамилию на Гурдин. Начав актёрскую карьеру в четыре года, девочка стала успешным актёром-ребёнком, снявшись в популярных фильмах "Чудо на 34-й улице" (1947), "Призрак и миссис Мьюр" (1947) и  "Звезда" (1952).  Псевдоним Натали Вуд выбрали для нее на киностудии в честь кинорежиссера Сэма Вуда. С восьми лет девочка получала 1 тысячу $ в неделю и содержала свою семью. Во втором своем фильме «Вечное завтра» Натали снималась уже со звездой первой величины Орсоном Уэллсом, который отметил 7-летнюю девочку, назвав ее прирожденным профессионалом (на фото с ним в кадре из фильма).

Роль в фильме "Бунтарь без причины" в дуэте с культовой фигурой того времени Джеймсом Дином принесла ей в 1955 году номинацию на "Оскар" и помогла ей получить более взрослые и серьёзные роли. Мировую славу Натали Вуд принесло участие в картинах "Ветсайдская история" (1961), "Джипси" (1962) и «Большие гонки" (1965), а роли в фильмах "Великолепие в траве" (1961) и "Любовь с подходящим незнакомцем" (1963) принесли ей ещё две номинации на премию "Оскар". Её карьера успешно продолжалась в течение 1960-х годов, а с началом нового десятилетия Вуд стала сниматься намного меньше, посвятив себя семье. Одну из последних крупных ролей актриса сыграла в телефильме  "Отныне и навсегда" в 1979 году, за которую была удостоена премии "Золотой глобус". 

Натали Вуд обладала яркой внешностью и миниатюрной фигурой: ее рост составлял 152 см, а вес – 45 кг. Соотношение было идеальным – актриса была прекрасно сложена и смело позировала для фото и в роскошных нарядах, и в купальниках.

Личная жизнь Натали Вуд была бурной и далеко не всегда счастливой. В молодости, по утверждениям Натали, ее изнасиловал Кирк Дуглас. В 1956 году юная актриса встречалась с самим королем рок-н-ролла Элвисом Пресли. В 1957-м Вуд вышла замуж за актера Роберта Вагнера, в которого влюбилась еще в детстве. Брак оказался скоротечным – в 1961 году пара рассталась, а в 1962-м актеры развелись. Встречалась с еще одним секс-символом того времени Уорреном Битти, но вторым мужем Натали стал британский продюсер Ричард Грегсон. Эти отношения также оказались краткими, хотя Натали родила дочь Наташу. В 1972-м брак был официально расторгнут. Одновременно с этим Натали возобновила отношения с Вагнером. В июле 1972 года пара вновь зарегистрировала брак, продлившийся до смерти актрисы. Всего у Вуд было двое детей: в 1974-м она родила младшую дочь Кортни Вагнер.

Натали Вуд утонула в ночь с 29 на 30 ноября 1981 года при невыясненных обстоятельствах во время плавания на яхте в Калифорнии. Кроме актрисы на яхте находились её муж Роберт Вагнер, актёр Кристофер Уокен и капитан корабля. Точные обстоятельства смерти Натали Вуд до сих пор неизвестны, и ее смерть до сих пор остается одной из неразгаданных загадок Голливуда.

Ее младшая сестра Светлана также стала актрисой и играла в кино под псевдонимом Лана Вуд, после смерти Натали выпустила две книги-биографии о жизни сестры...