Наталья Филимонова родилась 7 января 1982 года в городе Владимир. В 2012 году, успешно завершила обучение во Владимирском государственном университете, получив специальность «Маркетинг». Трудовую деятельность начала в 2004 году в компании ЗАО «АБИ Групп».
Позднее, в 2009 году, Наталья Сергеевна заняла должность директора по маркетингу Закрытого Акционерного Общества «АБИ Ритейл».
В 2016 году, Филимонова перешла на должность исполнительного директора Общества с Ограниченной Ответственностью «Гжель» - музей-кафе «Гжель».
Параллельно с трудовой и общественной деятельностью, Филимонова Наталья Сергеевна принимает непосредственное участие в политической жизни родного региона.
На выборах 9 сентября 2018 года, избрана депутатом Законодательного Собрания Владимирской области седьмого созыва от Владимирского регионального отделения Всероссийской политической партии «Единая Россия» по одномандатному избирательному округу № 19. Член фракции вышеуказанного политического объединения.
Входит в состав комитета по социальной политике и здравоохранению.