Její rodiče manželství neuzavřeli, matka – Jevgenija Semjonovna Gorbaněvská – byla knihovnice, Ruska; otec – byl Žid, s nímž se nestýkala, zahynul v době Velké vlastenecké války na frontě.

Natália nastoupila v roce 1953 na filologickou fakultu MGU, pracovala v literárním studiu. První publikace veršů Gorbaněvské se objevily ve fakultních nástěnných novinách.

V prosinci 1956 ji zadržela KGB v souvislosti s tím, že se znala s Andrejem Těrechinem a Vladimirem Kuzněcovem, kteří byli uvězněni za rozšiřování letáků s protestem proti sovětské intervenci v Maďarsku. Na svobodu ji pustili za tři dny. Na podzim 1957 byla vyloučena z MGU, prý za absenci při vyučování.

V roce 1958 nastoupila na dálkové studium filologické fakulty Leningradské univerzity, v roce 1964 dokončila studium, obor „filolog, učitel ruského jazyka a literatury pro střední školy“. Pracovala v Moskvě jako knihovnice, bibliograf, jako technická a vědecká překladatelka. V roce 1961 se jí narodil první syn, v roce 1968 druhý.

Od roku 1959 se básně Gorbaněvské rozšiřovaly v samizdatu. V sovětském tisku se básně Gorbaněvské téměř nepublikovaly. Byla iniciátorkou, autorkou, redaktorkou a písařkou prvního vydání samizdatového bulletinu „Kronika běžných událostí“ v roce 1968. Pod redakcí Gorbaněvské vyšlo prvních deset vydání. Účastnila se založení Iniciativní skupiny na ochranu práv člověka v SSSR, stala se její členkou.

Účastnice demonstrace 25. srpna 1968 proti vpádu sovětských vojsk do Československa, kam přišla s kojencem v kočárku. Tato událost je popsaná v její knize „Poledne“:

Gorbaněvská byla zatčena společně s ostatními demonstranty, ale tentýž den byla osvobozena, bylo jí oznámeno obvinění ze „skupinových činností, hrubě narušujících veřejný pořádek“. Nebyla odsouzena společně s ostatními demonstranty, protože kojila dítě.

Podle závěrů psychiatrické expertizy, že u ní „není vyloučena možnost schizofrenie“, byla uznána nepříčetnou, ale byla předána na záruku matce. Koncem roku 1969 Gorbaněvská dosáhla závěru hlavního psychiatra Moskvy I. K. Januševského, že není nemocná schizofrenií a není nutné ji umístit do psychiatrické nemocnice.

Před tím, než byla znovu uvězněna, stačila sestavit dokumentární knihu o demonstraci „Poledne. Dokument o demonstraci 25. srpna 1968 na Rudém náměstí“ (vydáno ve Frankfurtu nad Mohanem, 1970). V knize je zobrazena kronika událostí toho dne a jsou zde shromážděny všechny materiály, které se vztahují k průběhu vyšetřování a vynesení rozsudku v tomto politickém procesu. Dokumentární kniha byla přeložena do hlavních evropských jazyků, v SSSR se vydávala v samizdatu v roce 1969.

Byla uvězněna 24. prosince 1969 na základě obvinění z „rozšiřování vědomě křivých výmyslů, hanobících sovětské státní a společenské zřízení“. Za vinu jí dávali účast na demonstraci 25. srpna 1968, napsání a rozšíření dopisu o této demonstraci, črtu „Bezplatná lékařská péče“, podpisy pod dokumenty Iniciativní skupiny, účast na vydání „Kroniky běžných událostí“. Také na ni vznesli obvinění z napadení představitelů ochrany veřejného pořádku při plnění služebních povinností. Bylo to v souvislosti s tím, že při prohlídce začala vytrhávat z rukou vyšetřovatele její vlastnoručně přepsané „Rekviem“ Achmatovové s titulní stránkou vytvořenou Achmatovovou a náhodou poškrábala ruku vyšetřovatele břitvou, kterou Gorbaněvská právě ořezávala tužku na žádost pětiletého syna.

Byla v Butyrském vězení. V dubnu 1970 v Institutu soudní psychiatrie V. P. Serbského jí byla stanovena diagnóza „schizofrenie“ bez poznámek soudních lékařských expertů v klinickém zápisu, že by existovaly nějaké psychopatologické poruchy, které by byly příčinou nezbytné hospitalizace (později francouzští psychiatři, když prostudovali dokumenty expertizy, velmi negativně ohodnotili její výsledky, vyloučili u Gorbaněvské příznaky schizofrenie jak v době expertizy, tak i tehdy, když sami Natalii vyšetřovali). Od ledna 1971 do února 1972 pobývala na nuceném léčení v Kazanské speciální psychiatrické nemocnici a v Institutu Serbského.

V roce 1971 Gorbaněvská vydala svou črtu „Bezplatná lékařská péče“, kterou napsala v březnu 1968 a věnovala ji zneužití psychiatrie v SSSR, v knize „Trestaní šílenstvím“.

17. prosince 1975 emigrovala. Žila v Paříži. Ihned začala pracovat v redakci časopisu „Kontinent“ - nejdříve jako odpovědný tajemník, potom jako zástupce hlavního redaktora. Vydala několik básnických sbírek. Byla externím spolupracovníkem „Radia Svoboda“, od začátku 80. let do roku 2003 pracovala v novinách „Russkaja mysl“. Od roku 1999 byla v redakci a redakčním kolegiu ruskojazyčného varšavského časopisu „Nové Polsko“, kde publikovala jako autorka i jako překladatelka.

V Rusku je Gorbaněvská publikována od roku 1990, v postsovětské době pravidelně přijížděla do vlasti.

V dubnu 2005 přijala polské občanství. Podle slov jejího syna Jaroslava to proběhlo takto:

3. června 2008 podepsala Pražskou deklaraci o evropském svědomí a komunismu. 23. října 2008 na Univerzitě Marie Curie-Sklodowské v Lublinu Natália Gorbaněvská dostala titul doctor honoris causa. Gorbaněvská se stala laureátkou mezinárodní literární soutěže „Ruská cena“ podle výsledků z roku 2010 v nominaci „poezie“. 25. srpna 2013, po 45 letech, se Gorbaněvská znovu účastnila demonstrace na Rudém náměstí, jako členka skupiny opozičníků pod heslem „Za vaši a naši svobodu“, věnované 45. výročí protestu z roku 1968. Banner s heslem u Čelního místa rozvinula skupina 12 lidí, z nichž 10 lidí bylo zadrženo policií. Gorbaněvské se tehdy policie ani nedotkla.

22. října 2013 byla Gorbaněvské udělena čestná medaile Karlovy univerzity, čímž byla zdůrazněna její mnohaletá oddanost boji za demokracii, svobodu a práva člověka.
Natálie Gorbaněvská zemřela 29. listopadu 2013 v Paříži.

Je pochována v Paříži na hřbitově Pere-Lachaise. Smutečního obřadu se zúčastnili velvyslanci Polska a České republiky, Ruská federace své oficiální představitele neposlala.

Synové – výtvarník, malíř, grafik Jaroslav Gorbaněvský (nar. 1961), kameraman – Josif Gorbaněvský (nar. 1968).

Bratranec – historik Vladimir Borisovič Kobrin.

Básník Lev Rubinštejn:

V poezii Gorbaněvské podstatnou roli hraje politická tematika, ale zvláště jsou příznačné ty verše, ve kterých se tato linie spojuje s tradičními lyrickými tématy, která vyznívají vždy tragicky. Charakteristická jsou taková témata, jako bolestné prožívání bezbrannosti a nedokonalosti člověka, motivy osamělosti a osobní viny za to, co se děje.

N. J. Gorbaněvské je věnována píseň „Natálie“, kterou napsala v roce 1973 íránská zpěvačka žijící ve Velké Británii. Známou se stala v podání Joan Baez.

V říjnu 2014 vyšla kniha Ljudmily Ulické „Básnířka. Kniha o paměti: Natálie Gorbaněvská“ (Moskva, AST, redakce Jeleny Šubinové, 2014).

28. října 2014 jméno Natálie Gorbaněvské dostala česká Jazyková škola Czech Prestige, jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky.