Наталия Богомолова родилась 23 февраля 1940 года в Москве. С 1951 по 1955 год она училась в Московской городской художественной школе №1.
В период с 1959 по 1961 годы она прошла обучение на курсах художников-мультипликаторов при киностудии «Союзмультфильм». Затем, с 1962 по 1968 год, Богомолова получила высшее образование на историческом факультете Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.
В 1957 году она работала декоратором в театре имени Моссовета, а с 1959 по 1999 года она была мультипликатором на киностудии «Союзмультфильм». В течение своей карьеры она также выступала в роли художника-постановщика и в 1975 году дебютировала как режиссёр.
Богомолова сотрудничала со студиями «ФАФ», «ШАР», «Мастер-фильм», «Кристмас Филмз» и входила в правление АП «Киностудия «Союзмультфильм»» с 1997 по 1999 год. Она также была членом «Международной ассоциации анимационного кино». Её выдвигали на получение II Национальной анимационной премии «Икар». В 2012 году ей было присвоено звание Заслуженный художник Российской Федерации.
Именно она нарисовала мультфильмы «Винни-Пух», «Котенок по имени Гав», «Бобик в гостях у Барбоса», «Голубой Щенок», «Незнайку на Луне» и десятки других известных картин.
Наталия Богомолова ушла из жизни 6 декабря 2023 года в возрасте 83 лет. Несчастный случай, при котором она неудачно упала и сломала шейку бедра, привел к её госпитализации в столичную больницу. Однако организм не смог справиться с последствиями, и художницу потеряли.
