Наталья Поклонская родилась 18 марта 1980 года в поселке Михайловка Ворошиловградской (позже она стала Луганской) области Украины. Ее отец был колхозником, а мать домохозяйкой. В 1987 году семья переехала в Крым.
Поклонская окончила филиал украинского Национального университета внутренних дел в Евпатории. С 2002 года она работала в органах прокуратуры Украины, начинала с должности помощника районного прокурора, затем была помощником прокурора Евпатории, руководила Симферопольской природоохранной прокуратурой.
После событий на майдане в феврале 2014 года Поклонская решила, что не разделяет позицию новых украинских властей. Она подала рапорт об отставке из органов прокуратуры Украины, вскоре глава Крыма Сергей Аксенов предложил ей занять должность прокурора республики. Поклонская обратила на себя внимание на первой же пресс-конференции в новом качестве. Из-за миловидной внешности Поклонскую стали называть «няшкой», а выражение ее лица «анимешным». Она стала героем многочисленных мемов — и одновременно одним из символов «Русской весны».
Поклонская занимала должность прокурора Крыма в течение полутора лет, а в 2016 году была избрана депутатом Госдумы и вошла во фракцию «Единой России», хоть и не была членом партии. В парламенте она заняла должность председателя комиссии по контролю за достоверностью декларирования доходов депутатов (впоследствии комиссия была упразднена). В 2018 году она стала единственным депутатом от «ЕР», проголосовавшим против пенсионной реформы.
После истечения депутатского мандата Поклонская в октябре 2021 года была назначена послом России в Кабо-Верде, но уже в январе 2022 года сообщила, что не вступит в эту должность. Она объяснила решение личными обстоятельствами и тем, что «готова на любую должность, где будет полезна государству».
2 февраля указом президента Поклонская была назначена на пост заместителя руководителя Россотрудничества. После 24 февраля она в своем блоге скептически высказывалась о спецоперации России на Украине, называя происходящее трагедией и для российского, и для украинского народа.
13 июня она была освобождена от должности и на следующий день вернулась на работу в прокуратуру — была назначена советником генерального прокурора России. Поклонская сообщила, что с этого дня откажется от ведения соцсетей.