Советская и российская актриса театра и кино, режиссёр. Заслуженная артистка РСФСР (1985). Наталья Величко родилась 4 мая 1941 года в киргизской столице городе Фрунзе (ныне — Бишкек) в семье музыкантов.
Отец — Яков Артемьевич Величко, имел дворянские корни, играл на многих музыкальных инструментах, в 1917 году был юнгой-музыкантом в судовом оркестре знаменитого крейсера «Аврора». Позже даже дирижировал, преподавал на курсах духовых оркестров. Мать — Елизавета Устиновна Величко, училась в Московской консерватории, обладала красивым голосом.
Ее мать оказалась во Фрунзе в ссылке — после ареста ее первого мужа-инженера. Там она и вышла замуж за отца Натальи. Когда девочке было 7 лет, семья перебралась в Москву. Жили в районе Варшавского шоссе. Мать работала в театре, пела на радио, занималась переписыванием нот. С пяти лет занималась музыкой. Посещала музыкальную школу, потом ее отдали в школу имени Стасова, к педагогу Ирине Мечиславовне Амировой.
Актрисой становиться не планировала. После окончания школы поступила в Московское дирижёрско-хоровое училище, которое окончила в 1961 году по специальности «дирижер хора». В актерскую профессию попала совершенно неожиданно для самой себя. У ее подружки сестра работала в фотолаборатории ВГИКа. И она первой обратила внимание на внешность Натальи, отметив: «Наташа, мне нравится твое лицо. Может быть, мы тебя поснимаем? ». Ей сделали фотосессию и отправили снимки во ВГИК. Далее она решила попробовать поступить в театральный. На экзамене перед приемной комиссией читала отрывок из «Войны и мира».
Несмотря на огромный конкурс (экзаменатором был сам Сергей Герасимов), она оказалась в числе принятых.
В 1965 году окончила Всесоюзный государственный институт кинематографии (ВГИК), актёрская мастерская Ю. Геники и В. Шишкова. В 1965-1992 годах — актриса Театра-студии киноактёра. На экране дебютировала в 1963 году в социальной драме «Тишина» Владимира Басова. Сыграла Асю Вохминцеву, сестру главного персонажа. «Тишина» получила в 1964 году Главный приз I-го Всесоюзного кинофестиваля в Ленинграде. Также лента стала одним из лидеров проката. А на Наталью Величко обрушилась всесоюзная слава. С лентой она объездила множество разных стран.
В 1965 году сыграла главную роль в картине «Друзья и годы» (Людмила Печерская). В том же 1965-м вышла еще одна лента, в которой актриса исполнила главную героиню — советско-французский фильм «Третья молодость». Она сыграла жену Мариуса Петипа — известную русскую балерину Машеньку Суровщикову. В картине она снималась с такими мастерами, как Николай Черкасов и Олег Стриженов. Автором сценария был Александр Галич, он же потом написал об актрисе статью «Чудесное воплощение».
Далее были роли в лентах «Четыре страницы одной молодой жизни» (Лиза), «Николай Бауман» (Нина), «Щит и меч» (Эльза), «Это было в разведке» (Оля), «Кража» (Нина), «Здравствуй, добрый человек» (Ольга), «Потому что люблю» (Катя Шелест), «В ночь на новолуние» (Наташа Кораблева) и др.
1978 году исполнила главную роль в приключенческой драме «Алмазная тропа» (Надежда Цветкова).
В 1979 году окончила режиссерское отделение ВГИКа, мастерская А. Б. Столпера. Ее дипломный фильм — «Служба ликвидации» — был снят по рассказу Роберта Шекли.
В 1983-м сняла картину «Ураган приходит неожиданно» по пьесе Анатолия Софронова.
В 1980-е снималась мало. С 1991-го по 2005-й на экране не появлялась. В 2005-м исполнила эпизод в сериале «Охота на изюбря». В 2014 году у актрисы обнаружили онкологическое заболевание. Перед тем ей прописали лекарство, которое она принимала три года подряд, чего делать было нельзя. На этом фоне у Величко развился рак желудка. Ей повезло, что болезнь заметили на ранней стадии, сделали операцию и она излечилась. Страдала сахарным диабетом, из-за которого почти ослепла, и полиартритом, передвигалась с трудом. Из своей трехкомнатной квартиры она выходила только в больницу.
Умерла 21 мая 2022 года в Москве.