После института Наталья Фатеева играла в Театре киноактёра, Театре им. Ермоловой, но огромную популярность ей принесли роли в фильмах. Её недаром называли первой красавицей советского кинематографа. Наталья Фатеева дебютировала в кино в картине «Есть такой парень», которая вышла в широкий прокат в середине пятидесятых годов. Спустя несколько лет Фатеева сыграла одну из главных ролей в комедии «Три плюс два». Ленту об отдыхе дикарями на морском берегу трёх молодых людей и двух девушек увидели почти тридцать пять миллионов человек. После этого на Фатееву буквально обрушилась зрительская любовь. 

  

Также она снималась в фильмах «Здравствуй, это я», «Человек с бульвара Капуцинов» и во многих других. Лучшей своей работой Фатеева считает фильм «С вечера до полудня», снятый в 1981 году. Актриса сыграла женщину нового поколения, отстаивающую право любить и жить так, как она хочет.

Наталья Фатеева — народная артистка РСФСР. В 2014 году она получила премию «Ника» за роль второго плана в картине «Летящие по ветру листья».