Fille d'une danseuse et d'un directeur de cinéma, tous deux émigrants russes, Natalie Wood commence précocement une intense carrière d'actrice dans des rôles de petites filles, puis d'adolescentes, sa mère l'ayant forcé à faire cette carrière. Pour les scènes de larmes, la maman de Natalie allait jusqu'à arracher les ailes d'un papillon pour faire pleurer sa fille et que les réalisateurs en soient contents. Un jour, sur un tournage, elle se casse le poignet. Sa mère, effrayée à l'idée que le réalisateur la renvoie à cause de cet accident, ne le dit pas et oblige Natalie à continuer le tournage sans la soigner.
Elle fait ses débuts au cinéma en 1943 et connait ses premiers succès en tant qu'actrice-enfant en 1947 dans Le Miracle de la 34ème rue. Son second rôle dans
La fureur de vivre (Rebel Without a Cause, 1955) où elle donne la réplique à
James Dean, lui permet d'être nommée à l'Oscar et de remporter un Golden Globe en tant que révélation. Ces récompenses l'aident à accomplir la transition vers l'incroyable actrice adulte qu'elle sera, avec notamment une seconde nomination aux Oscars en 1961 pour Splendor In The Grass d'
Elia Kazan (Titre français: La Fièvre dans le sang). La même année, elle tourne dans la comédie musicale
West Side Story, et l'année suivante dans Gypsy, Vénus de Broadway. Suit une troisième nomination aux Oscars en 1963, pour
Une certaine rencontre. Sa carrière se poursuit le long des années 1960 avec notamment Bob et Carole et Ted et Alice (1969). À partir de ce moment-là, elle diminue la fréquence de ses prestations pour fonder une famille.
Elle épouse l'acteur
Robert Wagner, divorce en 1961 puis se remarie avec lui dix ans plus tard. Elle a deux filles : Courtney Wagner et l'actrice
Natasha Gregson Wagner. Cette dernière, née de l'union avec le producteur anglais Richard Gregson, est adoptée par
Robert Wagner après leur remariage.
En fin de carrière, Natalie Wood remporte un Golden Globe pour la série Tant qu'il y aura des hommes (From Here to Eternity, 1979). Elle participe à de nombreux téléfilms. Sa carrière prend fin tragiquement en 1981 quand elle est retrouvée noyée près de l'île californienne de Santa Catalina, où elle passait Thanksgiving.
Peter Bogdanovich lui rend hommage dans le téléfilm Natalie Wood, le prix de la gloire (The Mystery of Natalie Wood), réalisé en 2004 avec notamment Michael Weatherly (NCIS) dans le rôle de Robert Wagner.
Au moment de sa mort, elle tournait le film de science-fiction Brainstorm, qui sortira sur les écrans près de deux ans après son décès, en septembre 1983.
Natalie Wood est enterrée au Westwood Village Memorial Park Cemetery à Los Angeles.