Наталья Петровна не дожила до своего очередного дня рождения всего две недели. Внучка знаменитого русского психиатра и невропатолога Владимира Михайловича Бехтерева появилась на свет 7 июля 1924 года в Петрограде. Детские годы будущего академика были далеко не радужными: титулованный дед скончался, когда ей было всего три года, отец был расстрелян в конце 30-х, мать пропала в лагерях, а сама девочка получила клеймо «дочери врага народа».
Близкие Бехтеревой еще при жизни отмечали, что эта трагедия только закалила ее характер и в итоге не помешала ей сделать научную карьеру и стать одним из самых известных исследователей в области нейрофизиологии ХХ века. В 1947 году она окончила Ленинградский первый медицинский институт имени академика Павлова. Работала в Ленинградском научно-исследовательском нейрохирургическом институте имени Поленова.
В 1962 году возглавила созданный отдел прикладной нейрофизиологии. С 1966 года была заместителем директора по научной работе Научно-исследовательского института экспериментальной медицины (НИИЭМ), в 1970-м стала его директором.
В 1990-м году Наталья Бехтерева основала в Петербурге Институт мозга человека РАН, бессменным научным руководителем которого работала все последние 18 лет.
Сын Бехтеревой Святослав Медведев продолжает традицию династии, сейчас он директор Института мозга.
За свои работы глава Института мозга получила многие высокие награды — от Государственной премии СССР в области науки до ордена «За заслуги перед Отечеством» IV степени.
В конце мая 2008 года Наталья Бехтерева стала также почетной гражданкой Санкт-Петербурга. Свои соболезнования по поводу ее смерти принесли губернатор города, выдвинувшая Бехтереву в почетные граждане, и депутаты законодательного собрания, выбравшие ученую из списка достойных людей.
Валентина Матвиенко заявила: «Наталья Петровна была тем подвижником, которым гордится отечественная наука... К ее мнению прислушивались не только ученые. Ее принципиальность и твердость характера вызывали огромное уважение. Я была лично знакома с Натальей Петровной. Меня поражали в ней жизненная мудрость, огромный интеллект и беззаветная преданность науке и родному городу». Парламентарии также выразили свои соболезнования.
Из-за болезни Наталья Бехтерева не смогла лично получить последнюю награду в знак благодарности от своего города — уже тогда она была в Германии, где в одном из госпиталей ждала операции. Дата похорон ученой пока не известна.