Наталия Богомолова родилась 23 февраля 1940 года в Москве. С 1951 по 1955 год она училась в Московской городской художественной школе №1. В 1957 году она работала декоратором в театре имени Моссовета
В 1959–1961 годах Наталия училась на курсах художников–мультипликаторов при киностудии «Союзмультфильм», а с 1962 по 1968 год – на историческим факультете МГУ.
После окончания курсов художников–мультипликаторов 1961 году Наталия вошла в штат киностудии и проработала на «Союзмультфильме» до 1999 года. Она сотрудничала со студиями «ФАФ», «ШАР», «Мастер-фильм», «Кристмас Филмз», входила в правление АП «Киностудия „Союзмультфильм“» (1997–1999 ). Наталия Эдуардовна работала над мультфильмами «История одного преступления», «Дядя Стёпа – милиционер», «Песенка мышонка», «Шпионские страсти», «Винни-Пух», «Дед Мороз и лето», «О том, как гном покинул дом, и…», «Дарю тебе звезду», «Голубой щенок», «Бобик в гостях у Барбоса», «Котёнок по имени Гав», «Наш друг Пишичитай», «Ограбление по…», «Баба-Яга против!», «Каникулы в Простоквашино», «Халиф-аист», «Жил-был пёс», «Королевский бутерброд», «Пёс в сапогах», «Приключения Васи Куролесова», «Жил-был пёс», «Мартынко», «Из жизни разбойников», «Про лысую принцессу», «День рождения Алисы», «Тайна Сухаревой башни», «Сказки старого пианино» и другими. Всего в её фильмографии более 200 мультфильмов. Помимо анимации, она занималась живописью и графикой, любила путешествовать и привозила зарисовки из разных стран. У неё дома собралась большая коллекция рисунков, которые она нигде не выставляла. В 2012 году ей присвоено звание Заслуженный художник Российской Федерации.
Наталия Богомолова довольно редко участвовала в публичных экспозициях.
Эскизы, раскадровки, концепт-арты к мультфильмам Наталии Богомоловой хранятся в архиве киностудии «Союзмультфильм». Её живопись, графика и зарисовки из путешествий переданы наследникам.
Наталия Богомолова скончалась 6 декабря 2023 года в Москве. Её прах захоронен на Головинском кладбище.
