Natalie Dormer, issue d'une famille recomposée modeste, était destinée à des études d'histoire à l'Université. Cependant elle modifie ses plans et s'inscrit à l'Académie des arts dramatiques Webber Douglas Academy of Dramatic Art. Elle est d'ailleurs toujours membre de la Fencing Academy de Londres. Passionnée par le poker, Natalie Dormer participa au tournoi féminin mondial de PartyPoker.com où elle arriva à la seconde place du Celebrity Heat.

Natalie Dormer a débuté sa carrière d'actrice dans le film Casanova où elle joue, aux côtés de Heath Ledger, le rôle de Victoria. Cette performance lui permit de décrocher un contrat d'exclusivité avec les studios Disney Touchstone (en) pour trois films qui ne verront jamais le jour.

En 2007 et 2008, elle décroche le premier rôle féminin des deux premières saisons de la série à succès Les Tudors. Aux côtés de Jonathan Rhys Meyers et Henry Cavill, elle y joue Anne Boleyn, la seconde et infortunée épouse du Roi d'Angleterre, Henry VIII. Elle reçut de nombreux éloges pour sa performance dans l'interprétation de son personnage. Il est anecdotique que son aïeule Jane Dormer (en) fut l'une des dames d'honneur de Marie Ire d'Angleterre. En 2008, elle joue le rôle de Moria Nicholson dans Why Didn't They Ask Evans? de Miss Marple. En 2009, elle apparaîtra dans plusieurs films prochainement à l'affiche : Fence Walker, Flying Lessons et City of Life.