Наталья с детства занималась танцами и посещала балетную школу, но стремилась играть на сцене. В 2004 году она окончила школу-студию при Крымском государственном академическом русском драматическом театре имени Горького и начала работать в Севастопольском академическом русском драматическом театре имени А.В. Луначарского.

Широкую известность Наталья Романычева получила после главной роли в фильме «Чужая» (2010), где снялась полностью обнажённой.