Наталья Тимакова родилась 12 апреля 1975 года в городе Алма-Ата, Казахстан. После учебы в средней школе, поступила на философский факультет Московского государственного университета имени Михаила Ломоносова, который окончила в 1998 году.
Работать как журналистка начала еще будучи студенткой: являлась корреспондентом отдела политики газеты «Московский комсомолец». Также являлась корреспондентом, а затем старшим корреспондентом отдела политики издательского дома «Коммерсант», вошла в состав «президентского пула» журналистов, освещала предвыборную кампанию первого президента России Бориса Николаевича Ельцина.
В марте 1999 года Наталья начала работать политическим обозревателем службы новостей агентства «Интерфакс». В октябре того же года назначена заместителем начальника департамента правительственной информации аппарата правительства Российской Федерации, став одновременно пресс-секретарем премьер-министра правительства Владимира Путина.
В этом же году Тимакова выступила одним из авторов книги «От первого лица. Разговоры с Владимиром Путиным», сборника интервью мемуарного характера с первым лицом государства и первой леди, а также друзьями семьи и коллегами Путина.
В январе 2000 года Тимакова заняла должность заместителя начальника управления пресс-службы президента Путина, а через год стала первым заместителем начальника управления пресс-службы главы государства Алексея Громова.
Через два года Наталья Александровна назначена первым заместителем пресс-секретаря, начальником управления пресс-службы президента РФ, а позднее, после реорганизации администрации, стала начальником управления пресс-службы и информации президента РФ.
В 2008 году заняла пост пресс-секретаря Президента Российской Федерации, став первой женщиной пресс-секретарем главы российского государства.
В мае 2012 года назначена Пресс-секретарем Председателя Правительства Российской Федерации-заместителем Руководителя Аппарата Правительства Российской Федерации.
Госкорпорация «ВнешЭкономБанк» сообщила 12 октября 2018 года, что Тимакова вошла в правление ВЭБа. Ее сферой деятельности будет взаимодействие с органами государственной власти, а также отвечать за социальные и культурные проекты в рамках направления по развитию современной городской экономики и вопросы корпоративной ответственности.
Наталья Александровна 14 марта 2019 года единогласным решением принята в состав Попечительского совета московского Политехнического музея.
Орден «За заслуги перед Отечеством» III степени (2012)
Орден «За заслуги перед Отечеством» IV степени
Благодарность президента Российской Федерации (18 января 2010 года) - за активное участие в подготовке послания президента Российской Федерации Федеральному собранию Российской Федерации
Благодарность Президента Российской Федерации (2 сентября 2008 года) - за активное участие в подготовке и проведении Петербургского международного экономического форума и встреч глав государств - участников Содружества Независимых Государств
Благодарность Президента Российской Федерации (3 августа 2004 года) - за активное участие в подготовке и проведении в Москве торжественного мероприятия, посвященного Дню России
Медаль Столыпина П. А. I степени (11 апреля 2015 года) - за большой вклад в обеспечение деятельности Правительства Российской Федерации
Орден Дружбы (Южная Осетия, 29 января 2009 года) - за содействие в объективном освещении событий вокруг Южной Осетии в августе 2008 года
В рейтинге «100 самых влиятельных женщин России» журнала Огонек, опубликованном в марте 2014 года, заняла 7-е место
Муж - Александр Будберг, журналист.