Наташа Гусева родилась 15 февраля 1972 года в Москве. Отец — Евгений Гусев, рабочий; мать — Галина Гусева, врач-терапевт.
В 1979 году Наташа пошла в школу № 692. Будучи школьницей, снялась в нескольких фильмах. Стала чрезвычайно популярной после роли Алисы Селезнёвой в пятисерийном детском фантастическом телевизионном фильме «Гостья из будущего» (1984). После него также снималась в фильмах Гонка века (1986) и Лиловый шар (1987), а также в белорусском фильме «Воля Вселенной» (1988). В 1989 году получила предложение сняться в главной роли в криминальной драме «Авария — дочь мента». После знакомства со сценарием, Наталья по этическим соображениям («не желаю марать светлый образ Алисы съёмкой в фильме, где есть сцена изнасилования») от участия в фильме отказалась и до 2008 года в кино не снималась.
В 1989 году Наталья закончила школу и поступила в Московский институт тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова (МИТХТ) на отделение биотехнологии, закончила его в 1994 году. В настоящее время работает в компании, разрабатывающей иммуноферментные тест-системы для диагностики инфекционных заболеваний.
В 1993 году вышла замуж за Дениса Мурашкевича и взяла его фамилию. 14 декабря 1996 года родила дочь Алесю. В 2001 году супруги развелись.
В 2007 году на НТВ вышла передача «Главный герой. Наташа Гусева: Алиса стала взрослой», рассказывающая о судьбе Натальи и остальных участников фильма «Гостья из будущего», о роли фильма для поколения 1980-х и о культурном феномене «алисомании».
В феврале 2009 года вышел отечественный полнометражный мультфильм «День рождения Алисы», в котором Наталья озвучила роль капитана космического корабля.
В телесериале «Литейный» появилась в сезоне 2009 года в роли телеведущей Ирины в серии «Лицо».