Первая известность пришла к девушке после исполнения роли школьницы Таи Петровой в фильме «Розыгрыш» (1976) режиссёра Владимира Меньшова.

Всесоюзный успех Наталье принесла роль Александры Тихомировой — дочери главной героини в художественном фильме «Москва слезам не верит» (1979) режиссёра Владимира Меньшова. Однако этого успеха могло и не быть, так как накануне съёмок родители Наташи запретили ей сниматься в кино. Они устроили её на курсы в МИД СССР и запретили ей подходить к телефону. Владимир Меньшов оказался в затруднительной ситуации, так как никого, кроме Натальи, не представлял в роли Александры. Положение спас знаменитый актёр Алексей Баталов, с которым режиссёр приехал к Наташе домой. После беседы с ним родители сдались. В результате, Наташа бросила курсы, поступила во ВГИК и стала актрисой.

В 1984 году Наталья Вавилова окончила Всероссийский государственный университет кинематографии имени С. А. Герасимова (ВГИК) (мастерская Евгения Матвеева). В 1986 году, в Ярославле, снимаясь в историческом фильме «Николай Подвойский» режиссёра Юрия Борецкого, актриса упала с лошади и получила травму позвоночника средней тяжести. Набравшись сил актриса снялась ещё в картине своего мужа «Стервятники на дорогах» (1990) и в фильме «Дело Сухово-Кобылина» (1991) Леонида Пчёлкина, работой в котором решила завершить свою кинокарьеру. Позже Наталье часто предлагали новые роли, но ни одна из них её не заинтересовала.