Наталия Ужвий родилась 27 августа (8 сентября) 1898 года, (по другим источникам — 22 августа (3 сентября) 1898 года), в городе Любомле (ныне Волынская область Украины) в крестьянской семье. Была старшей дочерью в многодетной семье (у Наталии было пять братьев и две сестры).
В поисках лучшей жизни отец устроился на работу на железную дорогу под Варшавой. До 1912 года семья жила в поселке Брудно близ Варшавы. Там Наталия посещала железнодорожное, а затем городское училище. С 1915 года работала учительницей. В годы революции семья перебралась в Золотоношу (современная Черкасская область). Здесь Наталия впервые приняла участие в спектаклях любительского драматического кружка. В 1922 году кружок был преобразован в передвижной театр при Наркомате просвещения УССР.
В 1922 году Наталия развелась с первым мужем и уехала в Киев. Там она была зачислена во второй состав Первого театра УССР имени Шевченко. В театре Ужвий встретилась с известным актёром И. А. Марьяненко, который стал её наставником в актёрском мастерстве. В 1925—1926 годах — ведущая актриса Одесского государственного драматического театра, ныне - Одесский академический украинский музыкально-драматический театр им. В. Василько.
В 1926 году поступила в Харьковский театр «Березиль», которым руководил Лесь Курбас. Начался один из самых плодотворных периодов в творческой жизни актрисы. Она становится ведущей актрисой театра. На сцене театра Курбаса Ужвий сыграла около тридцати главных ролей: Оксана («Гайдамаки» по Т. Г. Шевченко, 1926), Фруманс («Золотое чрево» Ф. Кроммелинка, 1926), Магельон («Король забавляется» В. Гюго, 1927), Джулия («Заговор Фиеско в Генуе» Ф. Шиллера, 1929), Тетя Мотя («Мина Мазайло» Н. Г. Кулиша, 1929), Небаба («Диктатура» И. К. Микитенко, 1930), Олена Череда («Кадры» И. К. Микитенко, 1931), Маклена («Маклена Граса» Н. Г. Кулиша, 1933), Оксана («Гибель эскадры» А. Е. Корнейчука, 1933), Улька («Бастилия Божьей Матери» И. К. Микитенко, 1934), Лида («Платон Кречет» А. Е. Корнейчука, 1935), Маруся («Дай сердцу волю, заведет в неволю» М. Л. Кропивницкого, 1936) и другие. Для творчества Ужвий характерны реалистически углубленное раскрытие психологии героинь, созданные ею образы отличаются одухотворенной поэтичностью, взволнованностью, исполнены глубоких чувств и мыслей, сочетают целостность, пластичность с филигранной отшлифованностью.
Приехав в Харьков, который был столицей УССР, Ужвий оказалась в центре художественной и политической жизни республики, стала активным участником процесса украинского культурного возрождения. В 1926 году она вышла замуж за украинского писателя, лидера футуристов М. В. Семенко. В 1927 году у них родился сын Михаил. C 1930 года семья жила в знаменитом доме кооператива литераторов «Слово» в Харькове.
Успешно развивается и кинокарьера Ужвий. Она сыграла роли в фильмах «КПК» (1925), «Тарас Шевченко» (1926), «Тарас Трясило» (1927). Наталия Ужвий позировала скульптору М. Г. Манизеру для фигуры Катерины на многофигурном памятнике Шевченко в Харькове (1933—1935).
Начало политических репрессий против деятелей украинской культуры затронуло и Ужвий. В 1933 году она была втянута в кампанию «разоблачения» А. С. Курбаса, вынуждена была подписывать письма с его осуждением. Был арестован муж актрисы писатель Семенко (в этот момент они были уже в разводе). В 1937 году Курбас и Семенко были расстреляны, погибли в результате репрессий и два брата актрисы.
В 1936 году Ужвий покидает разгромленный театр «Березиль» и переезжает в Киев. С этого момента и до конца жизни она актриса КАГУДТ имени И. Я. Франко. На сцене этого театра под руководством режиссёра Г. П. Юры глубоко раскрываются новые грани самобытного таланта актрисы. От экспериментального новаторства Курбаса она переходит к классической манере и достигает в этом не меньшего успеха. Выдающимся достижением стали роли Елизаветы («Дон Карлос» Ф. Шиллера, 1936), Марины Мнишек («Борис Годунов» А. С. Пушкина, 1937), Софии («Последние» М. Горького, 1937), Варьки («Бесталанная» И. К. Карпенко-Карого, 1937), Маруси («Ой, не ходи, Грицю …» М. П. Старицкого, 1938), Тугиной («Последняя жертва» А. Н. Островского, 1939), Анны («Украденное счастье» И. Я. Франко, 1940), Беатриче («Много шума из ничего» В. Шекспира, 1940). Лучшая киноработа Ужвий этого периода — солдатка Евдокия в фильме «Выборгская сторона» (1938).
Актриса находит и свое личное счастье. В 1936 году она соединяет судьбу с актёром Е. П. Пономаренко, с которым прожила до своей смерти.
Во время войны вместе с театром находилась в эвакуации в Тамбове, затем в Семипалатинске и Ташкенте. Крупнейшим достижением актрисы в кино стала героико-драматическая роль партизанки Олены Костюк в фильме «Радуга».
В 1951 году актриса пережила ещё одну личную трагедию — после тяжелой болезни умер её единственный сын Михаил Семенко.
В послевоенный период Ужвий — признанный мастер сцены: Раневская («Вишневый сад» А. П. Чехова, 1946), Ольга («Макар Дубрава» А. Е. Корнейчука, 1948), Кручинина («Без вины виноватые» А. Н. Островского, 1948), Ванина («Житейское море» И. К. Карпенко-Карого, 1948), Наталия Ковшик («Калиновая роща» А. Е. Корнейчука), Любовь Яровая («Любовь Яровая» К. А. Тренёва, 1951), Анна Олсен («На грани ночи и дня» А. М. Якобсона, 1951), Глафира («Егор Булычев и другие» М. Горького, 1952), Анна Андреевна («Ревизор» Н. В. Гоголя, 1952), мадам Стессель («Порт-Артур» И. Ф. Попова и А. Н. Степанова, 1952), Барлаковская («Петербургская осень» Ильиченко, 1954), Маскалева («Дядюшкин сон» по Ф. М. Достоевскому, 1956), Филумена Мартурано («Филумена Мартурано» Э. де Филиппо, 1957), Катерина («Почему улыбались звезды» А. Е. Корнейчука, 1957), Анна фон Рихтер («Остановитесь» И. Д. Рачады, 1965), Танкабике («В ночь лунного затмения» М. Карима, 1967), Люси Купер («Уступи дорогу завтрашнему дню» В. Дельмара, 1970), Роза Александровна («Ретро» А. М. Галина, 1982). Ужвий сыграла в одной из первых лент С. И. Параджанова «Украинская рапсодия» (1961).
В 1954—1971 годах — председатель Украинского театрального общества.
Н. М. Ужвий умерла 29 июля 1986 года. Похоронена в Киеве на Байковом кладбище.