Наталья Матвеева родилась 23 мая 1986 года в городе Москва. Родители были спортсменами-лыжниками, поэтому дочку поставили на лыжи, когда та была совсем маленькой, в три года. В первом классе уже занималась в лыжной секции. В пятом классе юная спортсменка перешла в специализированную детско-юношескую спортивную школу Олимпийского резерва. Отец служил полковником полиции, мама работала в органах. Девушка выбрала ту же профессию, поступив в средне-специальную школу полиции.
Мечтой Матвеева являлась работа на Петровке 38, где когда-то трудился отец. Наташин папа погиб в автокатастрофе, так и не увидев побед дочери. Младшего брата юная лыжница отвела к своему тренеру Усикову, чтобы занимался лыжами.
В декабре 2004 года дебютировала на этапах Кубка Мира в Италии, став 13 в эстафете. Следующую гонку провела практически спустя год в городе Дюссельдорф, где впервые поднялась на подиум этапов Кубка Мира, заняв третье место.
Лыжница окончательно закрепилась в женской сборной уже в 2005 году и с завидной регулярностью начала зарабатывать медали. В спринте Наташа дважды стала Чемпионом России, на подиумы этапов Кубка Мира поднималась более десяти раз. Первой Олимпиадой в карьере Наташи стала Олимпиада в городе Турин. Выступление там принесло ей тридцатое место в индивидуальном спринте. Далее последовали два Чемпионата Мира.
В 2009 году спортсменку дисквалифицировали за использование допинга, сроком на два года. Продлился до марта 2011 года. В тот же период времени под дисквалификацию попали Юлия Чепалова и Нина Рысина.
Международная федерация лыжного спорта дисквалифицировала спортсменку из-за использования допинга, запрещенного рекомбинантного эритропоэтина, 23 декабря 2009 года. Срок дисквалификации составил 2 года, до 12 марта 2011 года. Персональный тренер Наташи, Татьяна Ревина, объясняла, что положительный результат теста на допинг следствие врожденного заболевания почек лыжницы, а тест рассчитан на здоровых спортсменов. Однако ее доводы не приняла во внимание Антидопинговая организация.
Свою первую гонку на этапах Кубка Мира, 27 октября 2010 года, в немецком городе Дюссельдорф, Матвеева выиграла в спринте свободным стилем. Здесь же, спустя год, одержала победу на второй гонке, в командном спринте.
В феврале 2016 года лыжница заняла третье место в лыжном спринте классическим ходом на этапе Кубка Мира в Норвежском городе Драммен. Через год, 14 января 2017 года, третий раз в карьере поднялась на высшую ступеньку пьедестала почета, одержав победу в спринте в Итальянском городе Тоблах. В том же году вместе с Юлией Белоруковой взяла серебро в командном спринте на Чемпионате Мира в Финском городе Лахти.
Решением Международного олимпийского комитета 22 декабря 2017 года за нарушение антидопинговых правил аннулированы результаты полученные на Олимпийских игр 2014 года в городе Сочи и пожизненно отстранена от участия в Олимпийских играх.