Наталья Костенева в детстве планировала стать юристом, но поступила в театральное училище имени Б.В. Щукина, которое окончила в 2005 году. В 2004 году она дебютировала в кино с эпизодической ролью в фильме «Благословите женщину», а в 2011 году получила одну из главных ролей в спектакле «Амадей» Московского художественного театра им. Чехова.

Широкую известность актрисе принесла роль Насти в ситкоме «Зайцев + 1» на телеканале ТНТ. В 2009 году она появилась в сериале «Аннушка», где сыграла в 9-й серии с оголённой сценой. Ранее Костенева также исполнила несколько ролей второго плана в российских многосерийных проектах.