Die in Stuttgart geborene Natalia Wörner absolvierte nach dem Abitur ihr Schauspielstudium an der berühmten Lee Strassberg School in New York. Ihren ersten Kinofilm drehte sie 1993: „Frauen sind etwas Wunderbares“ unter der Regie von Sherry Hormann, und gleich darauf „Die Sieger“ von Dominik Graf. Ein Jahr später stand sie mit Gérard Depardieu in dem französischen Kinothriller von François Dupeyron „Die Maschine“ vor der Kamera.
Parallel spielte sie in Deutschland ihre ersten Fernsehrollen wie z.B in „Kinder der Nacht“ von Nina Grosse. Nicht nur durch den ZDF-Mehrteiler „Um die Dreißig“ wurde Natalia Wörner einem breiteren Publikum ein Begriff, auch durch den erfolgreichen Kinofilm „Irren ist männlich“, erneut unter der Regie von Sherry Hormann.
Aufmerksamkeit erweckte sie 1997 mit zwei Rollen: neben Katja Flint und Christoph Waltz in dem albtraumhaften Thriller „Vicky’s Nightmare“ von Peter Keglevic sowie neben Ben Becker und Heino Ferch in Friedemann Fromms starkem Fernsehfilm „Spiel um Dein Leben“.
In unterschiedlichsten Rollen hat sich Wörner immer wieder neu erfunden. Mal schwäbelte sie komisch als liebesgierige Tochter eines Fußball-Präsidenten in „Zum sterben schön“ und spielt dann wieder mit viel Tragik ein psychisch gestörtes Opfer in „Tatort: Perfect Mind“ – beides Filme von Friedemann Fromm.
Anschließend folgte der TV-Dreiteiler „Der Laden“ (1998), der nicht nur zum Publikumsliebling avancierte, sondern auch mit dem Grimme-Preis ausgezeichnet wurde. Im Jahr 2000 erhielt Natalia Wörner den Deutschen Fernsehpreis für ihre Rolle in der Episode „Blinde Liebe“ der Serie „Bella Block“ und für „Frauen lügen besser“ von Vivian Naefe.
2003 erlebten die Zuschauer Natalia Wörner in Judith Kennels „Liebe und Verlangen“, 2005 in dem Zweiteiler „Miss Texas“ (Regie: Ute Wieland) und 2006 in der internationalen Kinoproduktion „20 Nächte und ein Regentag“ (Regie: Lam Le) sowie im TV-Zweiteiler „Sturmflut“ (Regie: Jorgos Papavassiliou).
2006 drehte sie unter der Regie von Judith Kennel die erste Folge der erfolgreichen ZDF-Krimireihe „Unter anderen Umständen“. Darüber hinaus überzeugte Natalia Wörner im Herbst 2008 die Kritiker in Judith Kennels Thriller „Die Lüge“, worin sie in einer Doppelrolle überraschte. 2010 stand sie für die internationale Verfilmung „Four Seasions“ an der Seite von Michael Yorck und Senta Berger unter der Regie von Giles Foster in Südengland vor der Kamera. Anschließend folgte die internationale Verfilmung eines weltbekannten Bestsellers. Ridley Scott verfilmte gemeinsam mit Tandem Communications Ken Follets berühmten Roman „Pillars of the Earth“, in welchem Natalia Wörner eine der Hauptrollen spielte – Ellen, die Frau aus dem Wald.
Der Mehrteiler lockte weltweit ein Millionenpublikum vor den Fernseher und wurde mehrfach für den Golden Globe nominiert. Darüber hinaus erhielt Natalia Wörner für ihre Darstellung der Ellen den Preis der Jury bei der ROMY-Verleihung 2011, den österreichischen Oscar.
2012 erlebte man Natalia Wörner in Carlo Rolas spannender Romanverfilmung „Das Kindermädchen“ sowie in dem absoluten Überraschungserfolg „Die Kirche bleibt im Dorf“, einem kleinen Kinowunder von Ulrike Grote mit beinahe einer halben Million Zuschauer.
An Weihnachten 2012 sah der Zuschauer die Schauspielerin an der Seite von Rupert Everett in dem TV-Zweiteiler „Die andere Frau“. Das packende Drama über das Doppelleben eines Familienvaters wurde mit einem hochkarätigen, internationalen Cast von Giles Foster verfilmt. 2014 spielte sie in „Cinderella“ unter dem kanadischen Regisseur Christian Duguay in Rom die böse Schwiegermutter.
In der opulenten UFA-Fiction-Produktion „Götz von Berlichingen“ schlüpfte Natalia Wörner in die Rolle der skrupellosen Fürstin Adelheid von Walldorf.
Ganz neue Wege geht Natalia Wörner in der deutschen Fernsehlandschaft mit der neuen politischen ARD-Reihe „Die Diplomatin“. Natalia Wörner ist als Karla Lorenz im Auftrag des Auswärtigen Amtes auf der ganzen Welt im Einsatz.
Natalia Wörner hat in ihrer bisherigen Karriere nie Stillstand zugelassen. Der Wunsch sich weiterzuentwickeln steht bei ihr im Vordergrund. So tauschte sie auch immer wieder das Set gegen die Theaterbühne. Sie war in verschiedenen Rollen in den Hamburger Kammerspielen zu sehen, so z.B. 2001 in David Hares BLUE ROOM (Regie: Peter Löscher) oder in David Auburnes PROOF/ DER BEWEIS (Regie: Siegried Bühr). 2005 gastierte Natalia Wörner am Renaissance-Theater in Ulrich Wallers Liederabend EIN STÜCK VOM HIMMEL, welches seine Uraufführung am Deutschen Theater in Berlin erlebte.
Von Januar bis März 2009 stand sie in Patrick Marbers Theatererfolg „Hautnah“ unter der Regie von Ulrike Jackwerth am Berliner Renaissance Theater auf der Bühne.
Neben ihrem schauspielerischen Engagement gründete Natalia Wörner 2005 die Tsunami Direkthilfe e.V. und ist seit 2006 Botschafterin für die Kindernothilfe e.V.. Sie begleitet Projekte im In- und Ausland, um Kinder in ihrem eigenen Umfeld zu stärken und ihnen Mut und Perspektiven zurückzugeben. So engagierte sie sich auch als Patin des RTL Spendenmarathons 2011, um mit den Spenden des Marathons den Neubau eines Schutzzentrums in Meru/Kenia zu finanzieren. Dieses Projekt der Kindernothilfe kämpft gegen sexuelle Gewalt an Mädchen und junge Frauen in Kenia.
Für dieses ehrenamtliche Engagement wurde sie 2016 mit dem Bundesverdienstkreuz ausgezeichnet.