Наталья Павлова обучалась на дирижёрско-хоровом отделении Московской консерватории (окончила в 2006), занималась вокалом с Рафаэлем Сирикяном. Как солистка сотрудничала с камерной капеллой «Русская консерватория» Николая Хондзинского, вокальным ансамблем «Интрада», Ансамблем имени Александрова. С 2013 года – солистка Академии молодых оперных певцов Мариинского театра, на сцене которого дебютировала через год в опере «Майская ночь».
Певица – победитель II Международного конкурса молодых оперных певцов «Опера без границ» в Краснодаре (2015).
Наталья Павлова – первая исполнительница в Мариинском театре моноопер «Дневник Анны Франк» Григория Фрида, «Письмо незнакомки» Антонио Спадавеккиа и «Анна» Леонида Клиничева. С солистами Академии она участвовала в полусценической постановке «Оранго» Шостаковича на Фестивале стран Балтийского моря в Стокгольме и Хельсинки и на лондонском “BBC Proms”, а также в исполнении «Мавры» Стравинского под руководством Эсы-Пекки Салонена на сцене лондонского Royal Festival Hall. Также в её репертуаре в Мариинском театре – партии в операх «Горе от ума» (Лиза), «Идиот» (Настасья Филипповна), «Казаки» (Марьяна, концертное исполнение), «Не только любовь» (Наташа), «Тихий Дон» (Наталья), «В бурю» (Наталья, концертное исполнение), «Зори здесь тихие» (Лиза Бричкина, концертное исполнение), «Сказка о Царе Салтане» (Царица Милитриса), «Кармен» (Микаэла), «Гензель и Гретель» (Ведьма), «Травиата» (Виолетта), «Русалка» (Русалка) и других постановках.
Наталья Павлова выступила в партии Татьяны («Евгений Онегин») в Софийской опере и на оперном фестивале Сполето в Чарльстоне, в партии Тамары («Демон») в Северо-Осетинском театре оперы и балета во Владикавказе. В сезоне 2017/18 она дебютирует в туринском Театро Реджо в опере «Турандот» (Лиу).
С камерной капеллой «Русская консерватория» записала диск «Песни фронтовых дорог» (аранжировки Дмитрия Шостаковича), выпущенный в 2010 году фирмой Toccata Classics.
