Herečka Natalia Dyer se narodila v Nashvillu, kde také vyrůstala. Kvůli zdravotním problémům strávila velkou část svých raných školních let doma, kde se snažila zabavit vymýšlením nejrůznějších her, což ji do budoucna pomohlo v herectví. I přes tyto komplikace ale navštěvovala místní dramatický kroužek.
Výraznější snímkem pro ni bylo až nezávislé drama o nešťastné první lásce I Believe in Unicorns z roku 2014, kde ztvárnila hlavní roli. Poté se Natalie objevila v tuzemsku ne příliš známých filmech jako je romantický snímek Long Nights Short Mornings, sci-fi film After Darkness nebo nekonvenční kraťas Yes, God, Yes.
Jejím zatím největším kariérním úspěchem je mysteriózní televizní seriál Stranger Things z roku 2016, kde ztvárnila Nancy Wheeler, sestru jednoho z hlavních hrdinů. Za svůj herecký výkon spolu s kolegy obdržela o rok později cenu za nejlepší obsazení Screen Actors Guild Award.