Наталья Арсентьева родилась 25 августа 1959 года в городе Казань, Республика Татарстан. С детства мечтала стать артисткой. После школы поступила в Казанское театральное училище. Диплом об окончании получила в 1982 году.
Юную выпускницу пригласили в Казанский государственный большой драматический театр имени Качалова. О ярком, солнечном таланте Арсентьевой заговорили сразу после ее дебюта в спектакле «Сон о Белых горах» по повести Виктора Астафьева «Царь-рыба». На сцене Казанского театра выступала 12 лет.
На подмостках Казанской драмы Наталья Николаевна создала несколько десятков женских образов и каждая ее работа становилась событием в городе. Среди ее работ роли: Елены Андреевны в «Дяде Ване» А.П. Чехова, Цейтл в «Поминальной молитве» Г. Горина, Роза делла Роза в «Татуированной розе» Т. Уильямса, Маша в «Живом трупе» Л.Н. Толстого.
Именно в Казанском театре артистка познакомилась со своим будущим мужем, режиссером Юрием Ильиным. Позднее у пары родилась дочь. Родители назвали девочку непривычным именем Цветана.
Впоследствии играла в городах , Хабаровск, Комсомольск-на-Амуре Хабаровского края, Томск. На подмостках местных театров играла Анфею в «Колдунье», Варю в «Вишневом саде», Гонерилью в «Короле Лире», Маргариту Готье в «Даме с камелиями», Машу Земцову в «Жестоких играх». Все критики отмечали тонкую, филигранную работу актрисы над образом каждой героини, умение одним жестом, взглядом на партнера наполнить сцену смыслом, создать атмосферу.
В город Краснодар Арсентьева вместе с семьей переехала в 2001 году. С 15 августа того же года стала актрисой Краснодарского Академического театра Драмы имени Максима Горького. Дебютом Натальи Николаевны на сцене театра стала роль Донны Анны в «Маленьких трагедиях» А.С. Пушкина. Следом за ней получила роль в постановке «Люти» по пьесе А. Дударева.
За профессиональное мастерство и многолетний добросовестный труд Наталья Арсентьева удостоена Почетного звания «Заслуженная артистка Кубани».
Люська - Бег (Михаил Булгаков) - 1992 год
Елена Андреевна - Дядя Ваня (Антон Чехов) - 2001 год
Донна Анна - Маленькие трагедии (Александр Пушкин) - 2002 год
Габи - Восемь любящих женщин (Робер Тома) - 2002 год
Леди Монтекки - Ромео и Джульетта (Уильям Шекспир) - 2003 год
Мэри Смит - Ночной таксист (Рэй Куни) - 2005 год
Багира - Маугли (Владимир Волькенштейн) - 2005 год
Мать - NON DOLET (Жан Ануй) - 2007 год
Диана - Тектоника чувств (Эрик-Эммануил Шмитт) - 2008 год
Бомжиха - Яблочный вор (Ксения Драгунская) - 2008 год
Крыса - Веселый Роджер (Дамир Салимзянов) - 2009 год
Гавриловна - Негромкие слова любви (А. Вампилов, Ф. Абрамов, В. Шукшин) - 2010 год
Любовница - Dawn-Way (О. А. Богаев) - 2011 год
Гертруда - Гамлет (Уильям Шекспир) - 2011 год
Она - Тринадцать разгневанных женщин - 2012 год
Маргарита Павловна - Покровские ворота (Леонид Зорин) - 2012 год
Жанна - Double Пулинович. «Жанна» (Ярослава Пулинович) - 2013 год
Устя - За двумя зайцами (Михаил Старицкий) - 2014 год
Женщина, солдатка - Вера. Надежда. Любовь - 2014 год
Голда - Поминальная молитва (Григорий Горин) - 2014 год
Графиня - Безумный день, или Женитьба Фигаро (Пьер де Бомарше) - 2015 год
Анна Николаевна Антипова - Один день из жизни города М. - 2015 год
Соседка, Мери - Алые паруса (по мотивам повести А.Грина) - 2016 год