Η Αγία Ναταλία γεννήθηκε το 1889 στην πόλη Ελιέτς της επαρχίας Ορυόλ, στην οικογένεια του ξυλουργού Νικολάι Νικολάεβιτς Ουλιάνωφ.
Το 1910, η Ναταλία μετακόμισε στη Μόσχα και εισήλθε στη Μονή Νοβοντεβίτσι, όπου εργάστηκε μέχρι το κλείσιμό της το 1922. Μετά το κλείσιμο της μονής, παρέμεινε να ζει σε ένα από τα μοναστικά κελιά, τα οποία είχαν μετατραπεί σε κοινοτικά διαμερίσματα. Η Ναταλία υπηρέτησε ως ψάλτρια και ψάλτης, και το 1930 εισήλθε στην κρατική υπηρεσία.
Στις 9 Μαρτίου 1938, η Ναταλία συνελήφθη με την κατηγορία της εχθρικής προπαγάνδας κατά του συστήματος των συλλογικών αγροκτημάτων. Η Ναταλία αρνήθηκε να παραδεχτεί την ενοχή της, υποστηρίζοντας ότι δεν είχε συμμετάσχει σε καμία προπαγάνδα. Στις 15 Μαρτίου, η τριάδα της ΝΚVD την καταδίκασε σε θάνατο με εκτέλεση.
Η Αγία Ναταλία Ουλιάνωφ εκτελέστηκε στις 22 Μαρτίου 1938 και θάφτηκε σε ανώνυμο ομαδικό τάφο στο πεδίο εκτέλεσης του Μπούτοβο κοντά στη Μόσχα.
