Наталия Богомолова родилась 23 февраля 1940 года в Москве. С 1951 по 1955 год училась в Московской городской художественной школе №1.
В 1959-1961 годах училась на курсах художников-мультипликаторов при киностудии «Союзмультфильм». С 1962 по 1968 год получала высшее образование на историческим факультете Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.
В 1957 году работала декоратором в театре имени Моссовета. В 1959-1999 годах была мультипликатором на киностудии «Союзмультфильм» (также выступала в качестве художника-постановщика, в 1975 - и как режиссёр).
Сотрудничала со студиями «ФАФ», «ШАР», «Мастер-фильм», «Кристмас Филмз». Входила в правление АП «Киностудия «Союзмультфильм»» (1997—1999 года). В свободное время занималась живописью и графикой.
Была членом «Международной ассоциации анимационного кино». Была выдвинута на получение II Национальной анимационной премии «Икар». В 2012 году была удостоена звания Заслуженный художник Российской Федерации.
Умерла 6 декабря 2023 года в возрасте 83 лет. Она неудачно упала, в результате чего сломала шейку бедра. Её госпитализировали в столичную больницу, но организм не справился с последствиями.
Режиссёр
Художник-постановщик
Художник-мультипликатор