Наталья Поклонская родилась 18 марта 1980 года в поселке Михайловка Ворошиловградской (ныне Луганской) области Украины. В 1990 году семья переехала в Крым в село Уютное Сакского района. Здесь Поклонская окончила среднюю школу, а также музыкальную по классу фортепиано.
Высшее образование получила в Евпатории в филиале Харьковского университета внутренних дел - окончила в 2002 году. После этого работала в Симферопольской природоохранной прокуратуре. В 2011 году, когда Поклонская выступала гособвинителем по громкому делу банды «Башмаки», возглавляемой депутатом крымского Верховного совета Автономной Республики Крым Рувимом Ароновым, на нее было совершено нападение. Несмотря на это, она довела дело до конца. В том же году Поклонская стала природоохранным прокурором Симферополя. Потом она перешла на работу в Генеральную прокуратуру Украины.
В 2014-м выступила против Майдана, написала заявление об отставке, но его не приняли, предложив уйти в отпуск. Поклонская уехала к родителям в Крым и там предложила свои услуги в подготовке «Крымской весны». 11 марта 2014 года она была назначена на должность прокурора Автономной Республики Крым. После этого против Поклонской на Украине завели уголовное дело и объявили ее в розыск.
25 марта 2014 года в связи с образованием прокуратур Республики Крым и города Севастополя в системе прокуратуры Российской Федерации Генеральный прокурор РФ Юрий Чайка назначил Поклонскую и. о. прокурора Республики Крым. А 2 мая 2014 года президент России Владимир Путин подписал указ о назначении ее на должность прокурора республики.
18 сентября 2016 года Поклонская была избрана депутатом Госдумы РФ VII созыва. В нижнюю палату парламента она прошла по списку партии «Единая Россия». В Думе Наталья Поклонская входит во фракцию «Единая Россия» и является зампредседателя комитета Госдумы по безопасности и противодействию коррупции и председателем комиссии Госдумы по контролю за достоверностью сведений о доходах, об имуществе и обязательствах имущественного характера, представляемых депутатами.
Наиболее громкой ее депутатской инициативой стало обращение в октябре 2016 года в Генпрокуратуру РФ о художественном фильме «Матильда». Надзорное ведомство нарушений не выявило, но Поклонская не оставила попыток не допустить выхода кинокартины на экран.