Нарадзілася ў сям’і начальніка Бакінскае мытнае акругі і былой настаўніцы. Хутка пасля яе нараджэньня сям’я пераехала ў Вільню.

Падчас 1-ай сусветнай вайны сям’я Арсеньневых жыла ў бежанстве ў Яраслаўлі, дзе будучая паэтэса напісала свой першы верш на расейскай мове.

У 1920 сям’я вярнулася ў Вільню, там Натальля Арсеньнева скончыла Віленскую беларускую гімназію, паступіла ва ўнівэрсытэт. На яе паэтычныя здольнасьці зьвярнуў увагу М. Гарэцкі.

У 1922 Натальля Арсеньнева выйшла за вядомага беларускага вайскоўца Францішка Кушаля. Неўзабаве сям’я пераехала ў заходнюю Польшчу па месцы службы Кушаля.

Пасьля пачатку Другой сусьветнай вайны і савецкай акупацыі Заходняй Беларусі Натальля Арсеньнева жыла ў Вілейцы, працавала ў абласной «Сялянскай газэце». У красавіку 1940 як жонка палоннага польскага афіцэра была высланая з сынамі ў Казахстан. У маі 1941 вярнулася з ссылкі ў Менск, дзякуючы заступніцтву між іншых Янкі Купалы.

Пасьля пачатку нямецкае акупацыі Арсеньнева жыла ў Менску, супрацоўнічала зь «Беларускай газэтай». Напісала некалькі лібрэта да опэраў, займалася перакладамі.

У 1944 эмігравала ў Нямеччыну, актыўна ўдзельнічала ў культурнай і асьветніцкай дзейнасьці ў лягерах бежанцаў, была выкладчыцай у Беларускай гімназіі імя Я. Купалы. З 1949 жыла ў ЗША, працавала ў газэце «Беларус», на радыё «Свабода», у Беларускім інстытуце навукі і мастацтва ў Нью-Ёрку.

У СССР творы Натальлі Арсеньневай былі забароненыя. Дагэтуль творы паэткі не ўключаныя ў школьную праграму па беларускай літаратуры ў сярэдніх школах.

Зь сярэдзіны 1980-х гг. творы Натальлі Арсеньневай становяцца вядомымі й папулярнымі, асабліва верш «Малітва», які будучы пакладзеным на музыку кампазытарам Міколам Равенскім стаў гімнам «Магутны Божа», у гонар якога названы фэстываль духоўнай музыкі.