Наталья Михайлова родилась в Санкт-Петербурге. Музыкальное образование получила в Музыкальном училище им. Н.А. Римского-Корсакова (класс фортепиано М.И. Лебедя, класс органа Ю.Н. Семенова), в Казанской государственной консерватории им. Н. Жиганова (класс органа народного артиста России, профессора Р.К. Абдуллина), в Санкт-Петербургском государственном университете (класс органа заслуженного артиста России, профессора Д.Ф. Зарецкого) и в аспирантуре Казанской государственной консерватории им. Н. Жиганова (класс органа народного артиста России, профессора Р. К. Абдуллина).

Принимала участие в международных мастер-классах под руководством ведущих западных профессоров: М. Харриса, Ж.-П. Умбера, П. Кривелларо, П. Планявского, М. Шапюи, Л. Ломанна, В. Церера, Л. Гиельми, А. Бергверффа, Л. ван Дуселара, Г. Роста, Б. ван Оостена, М. Радулеску, Э. Белотти. Обучалась на международных Летних органных академиях в Рацебурге (Германия), Харлеме и Алькмаре (Нидерланды), Змарано (Италия).

Лауреат международных конкурсов органистов (Болгария, 2007 – 1 премия; Италия, 2009 – 1 премия; Польша, 2009 – 2 премия), Лауреат IV Международного конкурса органных дуэтов ”Organo Duo” (Петрозаводск, 2015), Лауреат и обладатель Специального приза Международного конкурса концертных органистов (Казань, 2008), обладатель премии Георгия Бооса «Надежда Отечества» и Специального приза VII Международного конкурса им. М. Таривердиева (Гамбург-Калининград, 2011), обладатель Гран-при IV Рождественского музыкального фестиваля «Le Stelle di Natale» («Звёзды Рождества», Санкт-Петербург, 2016).

Активно концертирует в различных городах России и за рубежом, выступая с сольными концертами, в составе дуэта «Tangus Dei» c Александром Митенёвым (бандонеон), а также в ансамбле с Екатериной Забайрачной (мандолина), Полиной Фоминцевой (скрипка), Ольгой Сахаровой (меццо-сопрано), Сергеем Баевым (труба), Галиной Жуковой (фортепиано). Сотрудничает с ансамблем мандолин и гитар «Петербургские мандолины», с квартетом мандолин “Фейерверк”.

Член Союза концертных деятелей Санкт-Петербурга.