Nata a San Francisco nel luglio 1938 (muore annegata in circostanze misteriose e mai del tutto chiarite a Santa Catalina - in California - nel 1981, all’età di quarantatré anni) da genitori di origine russa, Natal'ja Nikolaevna Zacharenko - meglio nota come Natalie Wood, -  è attrice bambina sotto la direzione di Irvin Pichel - Happy Land  (1944), con Don Ameche, Conta solo l’avvenire  (1946), con Orson Welles e Claudette Colbert - , efficace in piccoli ruoli - Il fantasma e la signora Muir  (1947) di Joseph L. Mankiewicz, con Gene Tierney e Rex Harrison -, ma anche brillante protagonista - Fiore selvaggio  (1947) di Allan Dwan.

La Natalie Wood ragazzina è già attrice affermata fra commedia - La fortuna si diverte (1950) di Walter Lang, con James Stewart e Barbara Hale - e melodramma - La diva (1952) di Stuart Heisler, con Bette Davis e Sterling Hayden.

Tre anni dopo la Warner Bros la mette sotto contratto per Gioventù bruciata (1955) di Nicholas Ray, con James Dean, e con cui ottiene una nomination all’Oscar come Miglior Attrice Protagonista.

Bravissima anche nel western, in ruoli secondari - Sentieri selvaggi (1956) di John Ford, con John Wayne, Vera Miles e Jeffrey Hunter -  così come in quelli da protagonista - Le colline bruciano (1956) di Stuart Heisler, tratto dal libro omonimo di Louis L’Amour e interpretato da Tab Hunter e Skip Homeier, la struggente performance in Splendore dell’erba (1961) di Elia Kazan, con Warren Beatty (al suo esordio cinematografico), fra pregiudizi e inquietudini giovanili, ed il musical realistico e socialmente impegnato - West Side Story (1962) di Robert Wise – la consacrano definitivamente come giovane star.

Attiva nella commedia impegnata - Strano incontro (1964) di Robert Mulligan, con Steve McQueen - e leggera - Lo strano mondo di Daisy Clover (1965), anch’esso di R. Mulligan, con Robert Redford e Christopher Plummer -, torna ad ambientazioni nel Sud rurale con il drammatico Questa ragazza è di tutti (1966) di Sydney Pollack (alla sua seconda regia), con R. Redford e Charles Bronson.

Nel corso degli anni Settanta dirada notevolmente le sue apparizioni - James Dean the first american teenager (1975) di Roy Connolly, Una valigia piena di dollari (1975) di Peter Hyams, con Michael Caine, il modesto Meteor (1979) di Ronald Neame, con Sean Connery e Brian Keith.

Fra gli altri film ricordiamo l'evergreen natalizio Miracolo della 34a strada (1947) di George Seaton, con Maureen O’Hara e Edmund Gwenn, Non siate tristi per me (1950) di Rudolph Maté, il musical Il sogno dei miei vent’anni (1952) di Elliott Nugent, con Bing Crosby, Il calice d’argento (1954) di Victor Saville, tratto dal romanzo omonimo di Thomas B. Costain ed interpretato da Paul Newman (al suo esordio cinematografico), Casa da gioco (1955) di Jerry Hopper, La storia di James Dean (1957) di Robert Altman, documentario su James Dean a due anni dalla sua prematura scomparsa, Vertigine (1958) di Irving Rapper, Cenere sotto il sole (1958) di Delmer Daves, con Frank Sinatra e Tony Curtis, I giovani cannibali (1960) di Michael Anderson, con Robert Wagner e George Hamilton, La grande corsa (1965) di Blake Edwards, con Jack Lemmon,  Tony Curtis e Peter Falk, Penelope, la magnifica ladra (1966) di Arthur Hiller, con Ian Bannen  e P. Falk, Bob & Carol & Ted & Alice (1969) di Paul Mazursky, Brainstorm - Generazione elettronica (1983) di Douglas Trumbull, film di fantascienza con Christopher Walken, uscito due anni dopo la sua scomparsa.