Ξεκίνησε ως παιδί-σταρ, για να συνεχίσει, με ακόμη μεγαλύτερη επιτυχία, την καριέρα της και ως ώριμη ηθοποιός. Μικροκαμωμένη (1.57μ.), καστανή, μ’ ένα πολύ ελκυστικό πρόσωπο, εκπροσωπούσε, στα τέλη της δεκαετίας του 1950, τη νεολαία μιας εποχής. Ο μυστηριώδης θάνατός της το 1981, σε ηλικία 43 ετών, απασχολεί και σήμερα την αμερικανική δικαιοσύνη.
Η Ναταλία Ζαχαρένκο, όπως ήταν το πραγματικό της όνομα, γεννήθηκε στο Σαν Φρανσίσκο, στις 20 Ιουλίου 1938, από γονείς ρωσικής καταγωγής. Ο πατέρας ήταν επιπλοποιός και η μητέρα της καταγόταν από πλούσια οικογένεια της τσαρικής Ρωσίας. Και οι δύο τους είχαν καταφύγει πρώτα στον Καναδά και ύστερα στις ΗΠΑ, μετά την Οκτωβριανή Επανάσταση του 1917.
Σε ηλικία πέντε ετών πρωτοεμφανίσθηκε στην μεγάλη οθόνη στο πολεμικό δράμα του Ίρβινγκ Πίτσελ «Το Φεγγάρι Έπεσε» («The Moon is Down»), που βασίζεται στο ομώνυμο μυθιστόρημα του νομπελίστα συγγραφέα Τζον Στάινμπεκ.
Στη συνέχεια προσελήφθη με συμβόλαιο και άρχισε να γυρίζει δύο ταινίες τον χρόνο, ανάμεσά τους το χριστουγεννιάτικο δράμα του Τζορτζ Σίτον «Το Θαύμα στην 34η οδό» («Miracle on 34th Street», 1947) και η ρομαντική κομεντί του Τζόζεφ Μάνκιεβιτς «Ψυχές στην ομίχλη» («The Ghost and Mrs. Muir», 1947).
Το 1955 θα γίνει διάσημη με την ταινία του Νίκολας Ρέι «Επαναστάτης χωρίς αιτία» («Rebel without a Cause») στον ρόλο της νεαρής, ευαίσθητης φιλενάδας του «ήρωα», που τόν ερμήνευε ο Τζέιμς Ντην. Την επόμενη χρονιά θα εμφανιστεί στο κλασικό γουέστερν του Τζον Φορντ «Η αιχμάλωτος της ερήμου» («The Searchers», στον επεισοδιακό ρόλο τής ανήλικης κοπέλας που μεγαλώνουν οι Ινδιάνοι.
Το πραγματικό της όμως ταλέντο αλλά και η ομορφιά της θα αποκαλυφθούν στη διάρκεια της δεκαετίας του 1960, σε ταινίες όπως «Πυρετός στο αίμα» («Splendor in the Grass», 1961) του Ηλία Καζάν, «Γουέστ Σάιντ Στόρι» («West Side Story», 1961) των Ρόμπερτ Γουάιζ και Τζέρομ Ρόμπινς, «Γυμνή για μια νύχτα»(«Gypsy», 1962), του Μέρβιν Λιρόι, «Αγάπησα ένα ξένο» («Love with the Proper Stranger», 1963) και «Έρωτες που σβήνουν την αυγή (Inside Daisy Clover, 1965) του Ρόμπερτ Μάλιγκαν.
Για ένα διάστημα δεν έβρισκε τα κατάλληλα σενάρια για να παίξει, αν και 1969 επέστρεψε στην μεγάλη οθόνη και γνώρισε επιτυχία με την κωμωδία του Πολ Μαζέρσκι «Μπομπ και Κάρολ και Τεντ και Άλις» («Bob and Carol & Ted and Alice»). Παράλληλα όλο αυτό το διάστημα πύκνωσε τις εμφανίσει της στην μικρή οθόνη, σε τηλεταινίες και σειρές.
Η Νάταλι Γουντ προτάθηκε δύο φορές για Όσκαρ Α’ Γυναικείου Ρόλου («Πυρετός στο Αίμα», «Αγάπησα ένα Ξένο») και μία για Β’ Γυναικείου Ρόλου («Επαναστάτης Χωρίς Αιτία»).
Το κύκνειο άσμα της ήταν η ταινία επιστημονικής φαντασίας του Ντάγκλας Τράμπουλ «Brainstorm», με συμπρωταγωνιστή τον Κρίστοφερ Γουόκεν. Η ταινία παρέμεινε ημιτελής λόγω του ξαφνικού θανάτου της το 1981 και ενώ είχε σχεδόν ολοκληρώσει τα γυρίσματα του ρόλου της. Θα προβληθεί στις αίθουσες δύο χρόνια αργότερα.
Το μοιραίο συνέβη στις 29 Νοεμβρίου, όταν βρέθηκε πνιγμένη στην θάλασσα κάτω από μυστηριώδεις συνθήκες. Τις μέρες εκείνες βρισκόταν μαζί με τον σύζυγό της, τον γνωστό ηθοποιό Ρόμπερτ Βάγκνερ, στο κότερο του «Splendour» για ολιγοήμερες διακοπές στο νησί Σάντα Καταλίνα της Καλιφόρνιας. Στο σκάφος επέβαιναν ο συμπρωταγωνιστής της Κρίστοφερ Γουόκεν και ο καπετάνιος Ντένις Ντάβερν.
Η αυτοψία έδειξε ότι Γουντ έφερε μώλωπες σε διάφορα σημεία του σώματός της, καθώς και εκδορές στο αριστερό μάγουλό της. Οι αιματολογικές εξετάσεις έδειξαν ότι είχε καταναλώσει αλκοόλ σε μεγάλες ποσότητες, καθώς και υπνωτικά χάπια. Δύο μάρτυρες από διπλανό σκάφος κατέθεσαν στην αστυνομία ότι άκουσαν γυναικείες κραυγές. Αργότερα ο Βάγκνερ θα παραδεχτεί ότι είχε ένα καυγά μαζί της προτού αυτή εξαφανιστεί. Τελικά ο πνιγμός της χαρακτηρίστηκε ως ατύχημα και η υπόθεση έκλεισε ύστερα από πέντε χρόνια.
Ο φάκελος του πνιγμού της Νάταλι Γουντ ξανάνοιξε τον Νοέμβριο του 2011, όταν ο καπετάνιος του «Splendour» άλλαξε την κατάθεσή του και αποκάλυψε στις αστυνομικές αρχές ότι η Γουντ, λίγη ώρα πριν από την εξαφάνισή της, φλέρταρε με τον Κρίστοφερ Γουόκεν και εξ αυτού του λόγου καυγάδισε έντονα με το Βάγκνερ, ο οποίος την ζήλευε παθολογικά. Κατέθεσε ακόμη ότι ο Βάγκνερ τόν απέτρεψε να ξεκινήσει τις προβλεπόμενες διαδικασίες για την ανεύρεσή της και να ειδοποιήσει τις αρχές. Σύμφωνα με την κατάθεσή του, ήταν σίγουρος ότι Βάγκνερ ευθυνόταν για τον θάνατό της.
Τον επόμενο χρόνο ο επικεφαλής της Ιατροδικαστικής Υπηρεσίας του Λος Άντζελες τροποποίησε το πιστοποιητικό θανάτου της Γουντ, σημειώνοντας ότι ο θάνατός προήλθε από πνιγμό και άλλους αδιευκρίνιστους παράγοντες. Τον Ιανουάριο του 2013 προστέθηκε στο πόρισμα της αυτοψίας ένα δεκασέλιδο προσάρτημα στο οποίο αναφερόταν μεταξύ άλλων ότι οι μώλωπες στο σώμα της Γουντ προϋπήρχαν του πνιγμού της. Η υπόθεση του θανάτου της διάσημης ηθοποιού παραμένει σε εκκρεμότητα ενώπιον των δικαστικών αρχών της Καλιφόρνιας.
Η Νάταλι Γουντ παντρεύτηκε δύο φορές τον γόη του Χόλιγουντ και μεγάλο της έρωτα, Ρόμπερτ Βάγκνερ (1957-1962, 1972-1981) και ενδιάμεσα τον κινηματογραφικό παραγωγό Ρίτσαρντ Γκρέγκσον (1969-1972). Απέκτησε από ένα παιδί με τον κάθε της σύζυγο.