Родилась 19 сентября 1969 года в Ульяновске.

В 1988 году с отличием закончила Ульяновское педагогическое училище № 1, в 1992-м – Ульяновский государственный педагогический институт (ныне – университет) им. И.Н.Ульянова (с отличием). С 1996 по 2000 годы обучалась в аспирантуре Московского педагогического государственного университета (в 2001 году решением диссертационного совета Наталье Семёновой была присуждена ученая степень кандидата педагогических наук).

Трудовую деятельность начала в 1990 году воспитателем в «Ясли-сад № 36» Ульяновского кожевенно-обувного комбината.

С 1992 по 2001 годы — ассистент кафедры дошкольной педагогики Ульяновского государственного педагогического университета им. И.Н. Ульянова; с 2001 по 2002 годы — старший преподаватель кафедры дошкольной педагогики; с 2002 по 2005 годы — доцент кафедры дошкольной педагогики; с 2005 по 2006 годы — заместитель начальника учебного управления; с 2006 по 2008 годы — начальник учебного управления; с 2008 по 2009 годы — проректор по довузовской и послевузовской подготовке; с 2009 по 2011 годы – доцент кафедры дошкольной педагогики.

С 2011 по 2013 годы – директор департамента профессионального образования и охраны прав несовершеннолетних областного министерства образования и науки; с 2013 по март 2017 года – заместитель министра; в марте 2017 года назначена исполняющим обязанности министра ; с 25 мая 2017 года и по настоящее время – министр образования и науки Ульяновской области.

Имеет более 30 научных и методических публикаций.

Награждена почетной грамотой Министерства образования и науки Российской Федерации.

В октябре 2017 года Наталья Семенова ответила на самые животрепещущие вопросы читателей нашего портала.

Семёнова – о дочери: «Она закончила факультет иностранных языков педагогического университета, выбрав профессию мамы. Сейчас она в Москве – магистрантка Российского университета дружбы народов (РУДН). Пойдет ли она преподавать, пока не определилась, но желание учить у нее было с детства.»

Семёнова – о родине: «Меня всегда манит Ульяновск и его колоссальные изменения, которые происходят в последние годы. Запомнился недавний разговор с гостями региона, министрами из других городов. Они отметили ухоженность города и его особый запах – запах Волги».