В кино Натали Дормер дебютировала в роли Виктории в фильме 2005 года «Казанова» с Хитом Леджером и Джереми Айронсом. После премьеры она заключила контракт с компанией Disney Touchstone на участие в нескольких картинах, производство которых, к сожалению, так и не было начато.
С 2007 по 2008 год Натали снималась в сериале «Тюдоры» и произвела своей работой настоящий фурор. Она исполнила роль Анны Болейн – супруги честолюбивого и жестокого короля Англии Генриха VIII. Актриса создала образ Анны с потрясающей достоверностью. Болейн Натали Дормер – не беззащитная жертва, а одновременно и коварная интриганка-соблазнительница, и страдающая женщина, и любящая мать, а в финале – величественная королева, с достоинством принимающая свой жребий. Ее гибель на эшафоте по воле короля, обвинившего супругу в измене, которой не было, заставила рыдать всю Англию. Образ Анны Болейн стал для Натали поистине звездным. Актриса получила двойную номинацию на премию Gemini Awards, а также множество похвал от кинокритиков.
Со второго сезона «Игры престолов» Натали Дормер играет роль Маргери Тирелл. Натали стала первым актером, чье участие во втором сезоне было анонсировано. Дормер сразу подписала контракт на третий и четвертый сезон, если те будут сниматься. Натали понравилось работать в проекте, а коллектив, со своей стороны, отплатил ей радушием.
Натали Дормер также снялась в сериале «Элементарно» в роли Ирен Адлер. Кроме того, ее можно увидеть в роли второго плана в первой и второй частях фильма «Голодные игры: Сойка-пересмешница».
Натали Дормер, личная жизнь которой никак не освещается на страницах популярных изданий, в свои 32 года ни разу не была замужем. Похоже, она к этому и не стремится. С 2012 года актриса была помолвлена с актером Энтони Бирном, а что дальше – тайна. Помимо приписываемых ей «любовных авантюр», у Натали много других интересов. Она является членом Лондонской академии фехтования и даже принимает участие в престижных соревнованиях по классу рапиры и сабли. Спортивная подготовка Дормер впечатляет: она может на одном дыхании пробежать 10 километров.
У Натали хорошо поставленный голос – меццо-сопрано, и она поет классику и опереточные партии. Правда, делает это только для себя и для близких друзей. По мере надобности она может исполнить небольшие песенные вставки по ходу кинофильма, в котором принимает участие. Актриса – страстная поклонница игры в покер. Она была единственной представительницей мира кино, которая участвовала в международном турнире по покеру среди женщин, прошедшем в 2008 году. Тогда Натали Дормер заняла почетное второе место.