Narodila se britské matce a řecko-kyperskému otci. Vyrůstala v severní části Londýna, poté šla studovat herectví na univerzitu v Leedsu. Společně s o tři roky mladším bratrem Jamiem, který je také herec, navštěvovala univerzitu v Bristolu. Oba byli členy místní studentské komediální skupiny Bristol Revunions, jejíž kořeny sahají až do 50. let 20. století.
V roce 2019 začala hrát upírku Nadju v seriálu Co děláme v temnotách, který napsali Jemaine Clement a Taika Waititi na základě stejnojmenného komediálního mockumentary filmu z roku 2014. Seriál dobře přijali kritici i diváci a Natasia Demetriou se díky této roli stala známou po celém světě.
Za roli Nadji v seriálu Co děláme v temnotách získala v roce 2021 ocenění Critics' Choice Super Awards za nejlepší seriálovou herečku v kategorii science fiction/fantasy.