Наталья Полосьмак родилась 12 сентября 1956 в городе Хабаровск. В 1978 году получила диплом гуманитарного факультета Новосибирского государственного университета. В 1984 году окончила аспирантуру в городе Ленинград. В 1985 году состоялась защита кандидатской диссертации по теме «Культура населения Западной Барабы в скифо-сарматское время».
Всемирную известность, Полосьмак получила в 1993 году, после открытия погребения с хорошо сохранившейся мумией, впоследствии названной «Принцесса Укока». Историческое захоронение было обнаружено в курганном комплексе «Ак-Алаха-3», находящемся в урочище Бертек плато Укок в Кош-Агачском районе Республики Алтай.
В 1997 году защищает докторскую диссертацию на тему: «Пазырыкская культура: реконструкция мировоззренческих и мифологических представлений».
В 2004 году Наталья Викторовна Полосьмак за археологические исследования на Алтае получает Государственную премию Российской Федерации. В 2005 году получает государственную премию РФ в области науки. В 2007 году присуждают премию «Национальное достояние» в области археологии.
В период с 2007 по 2009 год, Наталья Викторовна являлась первым председателем Координационного совета по делам молодежи в научной и образовательной сфере. С 2011 года - член-корреспондент Российской академии наук.
Достаточно давно занимается исследованиями пазырыкской культуры - скифской археологической культуры железного века относящейся к VI - III веку до нашей эры. Носители этой культуры обитали на смежных территориях Республики Казахстан, Республики Алтай и Монголии.
Занимает должность главного научного сотрудника Института археологии и этнографии Сибирского отделения РАН. Является последовательницей Окладникова Алексея Павловича.
Жена известного археолога Вячеслава Молодина.