Natalie Dormer 1982 februárjában látta meg a napvilágot. Kicsi korától érdekelte a színjátszás. A nevelőapjával, édesanyjával, nővérével Samanthával és bátyjával Markal nőtt fel. Szülei válása után önbizalomhiányban szenvedett, amit társai kihasználtak, ezét gyerekkorában gyakran terrorizálták osztálytársai. Elmondása szerint ezt a mai napig nem sikerült neki kihevernie. 6 éves korától a Chiltern Edge Secondary School, majd 14 évesen Reading Blue Coat School tanulója volt. A család nagy reménységeként bekerülhetett volna egy híres történelem szakos egyetemre de ő a színjátszást választotta, így Webber Douglas Akadémiára járt főiskolára Londonban, ahova többek között  Rupert Friend, Matthew Goode, Hugh Bonneville és Minnie Driver is járt, és az öregdiákok között több nagy brit színészt tartanak számon. Szeret vívni, sportolás szinten űzi is, tagja az egyik vívószövetségnek. Mind emellett pedig az éneklés is a kedvenc időtöltései közé tartozik. Natalie nem titkolja hogy hatalmas póker imádó, játszott többek között a 2008-as PartyPoker.com Women's World Open -en is, ahol második lett!
A Tudorok sorozatban Anne Boleyn szerepében tűnik fel. Közös benne és Annában, hogy imádják mind ketten a francia dolgokat, Natalie pedig beszél is franciául. Egyébként nagyon élvezte Anne szerepét és lenyűgözte Jonathan Rhys Meyers alakítása, mint VIII. Henrik. A sorozat első két évadában szerepelt. A Casanova című filmben először sokkal kisebb szerepet akartak neki adni, de a rendezőt Lasse Hallstrom-t, annyira lenyűgözte a lány tehetsége, hogy kibővítették a forgatókönyvet, és több szerepet adtak a Natalie által megformált Victoriának. A Casanova film után azonnal három szerepajánlatot is kapott. A Tudorokban lévő alakításáért pedig Gemini díjra jelölték, a "legjobb női szereplőként" dráma kategóriában. Példaképe Cate Blanchett aki állítása szerint nagy hatást gyakorolt rá minden filmjében. Ennek ellenére a kedvenc filmje a Margó királyné.