Родилась 28 мая 1945 года. В 1967 году окончила Театральное училище имени Щукина (курс Л. М. Шихматова), в которое поступила лишь со второго раза. Среди её однокурсников по училищу были Н. С. Михалков, А. А. Вертинская, Н. П. Бурляев, Л. А. Пашкова, Н. Н. Терентьева и другие.
По окончании вуза была принята в ЦТСА. Блистательно сыграла Соню в "Дяде Ване" по Чехову (режиссёр Л. Е. Хейфец). Но потом был закрыт спектакль «Два товарища» по Владимиру Войновичу, и Наталья Вилькина, вслед за Леонидом Хейфецем и Сергеем Шакуровым, подала заявление об уходе.
В 1970 году актриса перешла в МАДТ имени Вл. Маяковского.
В 1972 году перешла в Малый театр. Постепенно весь репертуар, в котором была занята Наталья, сняли. Последние 4 года жизни она в театре вообще ничего не играла. «Долгий путь в ночь» оказался последним спектаклем с её участием.
Свою жизнь Наталья Вилькина сгубила сама пагубным пристрастием к курению. В день Наталья Вилькина выкуривала 5—6 пачек сигарет, что не могло не отразиться на её лёгких и сосудах. Несмотря на проблемы со здоровьем, она продолжала сниматься до последних дней жизни.
Она умерла 7 апреля 1991 года, в день рождения Елены Николаевны Гоголевой, с которой очень дружила. Она пришла в театр со вторым мужем договариваться о постановке пьесы польского режиссёра. Виктор Коршунов дал ей добро. Костюмерша, видевшая её, вспоминает, что Наталья выглядела прекрасно, но задыхалась, как от сильного волнения. Сидела на подоконнике, курила, болтала… Выйдя из кабинета Коршунова, она упала и через несколько часов её не стало.
Похоронили актрису на Пятницком кладбище в Москве (участок № 26).
