Наталия Макарова родилась 21 ноября 1940 года в городе Ленинграде. В детстве занималась в хореографической студии отдела художественного воспитания Ленинградского Дворца пионеров. В 1959 году окончила Ленинградское хореографическое училище по классу педагога Е. В. Ширипиной.
После окончания училища до 1970 года была стала ведущей солисткой Ленинградского государственного академического театра оперы и балета им. Кирова. Артистка лирико-драматического амплуа, Наталия Макарова стала первой исполнительницей в балетах Леонида Якобсона «Клоп» (1962) и «Страна чудес» (1967).
4 сентября 1970 года, во время гастролей Ленинградского театра оперы и балета им. Кирова в Лондоне, Макарова попросила политическое убежище в Великобритании. В октябре 1970 года состоялось её первое выступление в статусе «невозвращенки» — запись для телеканала Би-би-си «чёрного па де де» из балета «Лебединое озеро» в дуэте с Рудольфом Нуреевым и миниатюры «Лебедь».
С декабря 1970 года — прима-балерина Американского театра балета, с сентября 1972 года — Приглашённая звезда Лондонского Королевского балета, с декабря 1984 года — Постоянная Приглашённая звезда Лондон Фестивал Балет. Также много танцевала в труппе Национальный балет Марселя Ролана Пети, поставившего специально для неё балет «Голубой ангел». Неоднократно выступала с труппами крупнейших балетных театров мира: Дойч Опера, Гамбургский балет, Штутгартский балет, Шведский королевский балет, Национальный балет Канады, Государственная парижская опера и других.
Она была первой партнёршей эмигрировавших из СССР Михаила Барышникова («Жизель» в Американском театре балета 27 июля 1974 года) и Александра Годунова (па де де из балета «Дон Кихот» на Гала в честь 40-летия Американского театра балета в «Метрополитен-опера» 13 января 1980 года).
В 1974 году дебютировала как балетмейстер, поставив в Американском театре балета акт «Теней» из балета «Баядерка» Л. Минкуса, а в 1980 году — этот спектакль целиком.
А в декабре 1982 года состоялся её дебют как драматической актрисы на Бродвее — специально для неё был возобновлён мюзикл Ричарда Роджерса, Лоренца Харта, Джорджа Эббота и Джорджа Баланчина «На пуантах» (On Your Toes). За главную роль танцовщицы Веры Бароновой в этом спектакле Макарова получила несколько престижных международных наград.
В годы перестройки, благодаря усилиям главного балетмейстера Кировского театра Олега Виноградова (одноклассника балерины в школьные годы), началось постепенное возвращение Наталии Макаровой на родину. 6 августа 1988 года она впервые за 18 лет выступила с труппой Ленинградского театра оперы и балета им. Кирова — на гастролях в Лондоне она станцевала Одетту в «белом акте» «Лебединого озера» с Константином Заклинским. А в 1989 году Наталия Романовна выступила в Санкт-Петербурге, куда после почти 20-летней эмиграции приехала, чтобы исполнить несколько фрагментов из балета «Онегин» Джона Крэнко. В январе 1991 года участвовала в транслировавшемся на многие страны мира марафоне «Санкт-Петербург-возрождение», где исполнила номер «Луна» с Хосе Антонио. После этого она оставила балетную сцену.
Карьеру драматической актрисы Макарова продолжила в 1991 году, выступив в роли Великой княгини Татьяны Петровны в спектакле «Товарищ» по пьесе Ж. Дюваля сначала на Чичестерском театральном фестивале, а затем — на сцене Театра Пиккадили в Лондоне. Её партнёром был известный актёр Роберт Пауэлл. В том же году она записала на русском и английском языке сказки для детей: «Снежная королева», «Принцесса-лягушка» и «Жар-птица», изданные компанией Delos Records. В 1992 году Наталия Романовна сыграла роль Гитель в спектакле Романа Виктюка «Двое на качелях» по пьесе У. Гибсона.
В 1995 году специально для Макаровой и легендарного французского танцовщика Жана Бабиле хореограф Миша ван Хук (Misha Van Hoecke) создал миниатюру «Феллини», которую они исполнили на Вилле Боргезе в Риме на Фестивале памяти Федерико Феллини. В том же году на Чичестерском театральном фестивале состоялась премьера спектакля «Неугомонный дух» по пьесе Ноэла Кауарда с Макаровой в роли Эльвиры. В 1997 году она сыграла Лину в пьесе Джорджа Бернарда Шоу «Мезальянс», а в 1998 году выступила в роли Лидии Лопуховой в спектакле «Любовные письма балерины Лидии Лопуховой и Джона Мейнарда Кейнса».
Макарова постоянно проживает в Соединённых Штатах. В настоящее время Наталия Романовна много занимается благотворительностью, принимает участие в различных международных театральных и балетных проектах, переносит свои версии классических балетов на сцены многих театров мира.
В Ленинграде была замужем за режиссёром Леонидом Квинихидзе, развелась.
22 февраля 1976 года в Сан-Франциско вышла замуж за бизнесмена Эдварда Каркара. Её свидетелем на свадьбе был Михаил Барышников.
1 февраля 1978 года родила сына Андрея.