Née d'un père italien et d'une mère australienne, Natalia Imbruglia, de son vrai nom, commence sa carrière d'actrice à 16 ans dans le soap opera australien Neighbours. Après 2 ans au sein de cette série, elle se rend à Londres pour suivre une carrière de comédienne au théâtre. L'expérience ne lui souriant guère, elle commence à composer ses propres textes de chansons.
En 1997, elle est repérée par la maison de disques BMG qui produira quelques mois plus tard son premier album Left Of The Middle. Phil Thornalley, producteur de The Cure va l'aider à créer son propre style musical et à l'imposer. Dès lors, elle connaît un succès mondial en vendant six millions et demi d'albums à travers le monde. Son premier titre Torn sera numéro 2 des charts britanniques.
Elle revient en novembre 2001 avec son second album White Lilies Island connaissant un succès moindre que le précédent mais tout de même très honorable, environ 2 millions de copies vendus. En 2002, elle figure dans certaines publicités pour L'Oréal. Elle joue également au cinéma au côté de Rowan Atkinson et John Malkovich dans la comédie Johnny English. Sur le plan musical, elle participe également à certaines bandes originales avec Identify, extrait du film Stigmata ou encore Cold Air du film mexicain Y tu mamá también.
Le 31 décembre 2003, Natalie épouse Daniel Johns le chanteur du groupe australien Silverchair. En 2005, elle sort son troisième album Counting Down The Days pour lequel elle a fait appel à Ben Hillier, le producteur du groupe britannique Blur. Daniel Johns participe également à la production de certains titres. Le 10 septembre 2007, elle sort son best-of intitulé Glorious : The Singles 1997-2007. Natalie travaille actuellement sur son 4ème album qui devrait sortir en mai 2009. Natalie Imbruglia et Daniel Johns ont entamé une procédure de divorce à l'amiable au début du mois de janvier 2008.