Наталья Аринбасарова родилась в 24 сентября 1946 года в Москве, в семье военнослужащего. В Алма-Ате она поступает в хореографическую школу, оттуда её направили в Академическое хореографическое училище при Большом театре в Москве, которое она окончила в 1964 году. С большим драматизмом и психологической тонкостью Аринбасарова исполнила свою первую роль в кино — Алтынай в фильме «Первый учитель» (1965), за которую была удостоена приза Венецианского кинофестиваля.
В 1966 году вышла замуж за Андрея Кончаловского и родила сына Егора Кончаловского (1966) — ныне известного кинорежиссёра. В 1969 году ее брак распался.
В 1971 — окончила ВГИК (мастерская С. А. Герасимова и Т. Ф. Макаровой). Работала в Театре-студии киноактера в Москве.
Второй брак (1970) — с художником-постановщиком и живописцем Николаем Двигубским, который работал в фильмах Кончаловского. От этого брака родилась дочь Екатерина (1974), ныне тоже кинорежиссёр и писательница. В 1980 году она снова развелась. Третий брак (1982) — с кинорежиссёром Эльдором Уразбаевым.
В советском кинематографе Аринбасарова сыграла много ролей национальных героинь из Средней Азии (сама она по национальности казашка), среди которых можно выделить роли Маншук Маметовой («Песнь о Маншук», 1969, премия комсомола Казахстана и приз Всесоюзного кинофестиваля) и целинницы Камшат Сатаевой («Вкус хлеба», 1979, Государственная премия СССР, 1980). В 1978 Аринбасаровой была вручена премия Ленинского комсомола. Снялась также в фильмах: «Джамиля» (1968), «Ташкент — город хлебный» (1968), «У озера» (1969), «Транссибирский экспресс» (1977), «Улан» (1977), «Первая конная» (1984), «Русская рулетка» (1990).