Наталия Антонова родилась весной 1974 года в Москве, в семье педагога-филолога и военнослужащего. В школе она даже не задумывалась об актерской карьере, и родители настояли на поступлении в МЭГУ, на факультет менеджмента. Получив первое высшее образование, она уже прекрасно знала, что хочет связать свою жизнь со сценой, и прошла конкурс сразу в пять московских театральных училищ. Наталия усиленно готовилась к поступлению — занималась в театральной студии, репетировала дома, будучи уверенной в том, что недостаточно одного таланта: нужен опыт и знания.
Наталия стала студенткой ВТУ им. Щукина, вместе с ней на курсе учились Ольга Будина и Елена Захарова. На четвертом году обучения Антонову пригласили в Театр им. Гоголя, где она дебютировала в роли Сашеньки в постановке по Чехову.