Natalia Dontcheva est la fille de l’acteur Plamen Dontchev. Alors qu’elle souhaite faire des études de médecine ou de relations internationales, un ami de son père lui propose un rôle dans un film bulgare. À la fin du tournage, elle réussit le concours d’entrée au conservatoire national de Sofia malgré les réticences de son père estimant ce métier trop difficile pour une femme. Elle y reste deux ans^[2].

En 1989, elle s’installe en France, le pays de sa mère et entre au conservatoire de la rue Blanche à Paris^[3],[1].

Elle joue ensuite dans des séries télévisées (dont un premier rôle remarqué au côté de Mimie Mathy dans un épisode de Joséphine, ange gardien en 2001^[3]) puis elle interprète notamment le personnage récurrent de Julie Derville dans la série Doc Martin avec Thierry Lhermitte diffusée entre 2011 et 2015.

Elle participe également à quelques films au cinéma, notamment en tenant le premier rôle dans Un an de Laurent Boulanger, adaptation du roman éponyme de Jean Echenoz. En 2018, elle interprète une poignante Madame de Joncquières dans le film Mademoiselle de Joncquières d’Emmanuel Mouret.