Natalie Wood a Az üldözők című filmben

Wood szülei, Nyikoláj és Mária Zakharenko orosz bevándorlók voltak. Nem sokkal születése után a család Santa Rosá- ba költözött, ahol felfigyeltek rá és megkapta első szerepét, 4 éves korában már Natasha Gurdin néven szerepelt a Boldog ország című filmben. Édesanyja hamarosan Los Angelesbe költöztette a családot és hozzákezdett lánya filmes karrierjének kiépítéséhez. Más gyerekszínészek hez hasonlóan az ő életét és karrierjét is nagyban befolyásolta édesanyja. Édesapjáról Wood életrajzírói azt állítják, passzív alkoholista volt. Wood gyermekkorában 20 filmben szerepelt. Az 1947- es Csoda a 34. utcában című filmje tette széles körben ismertté. Testvére, Lana Wood szintén színésznő lett, Bond lányként jelent meg a filmvásznon. Volt még egy Olga nevű testvérük is.

Gyermekszerepek be kényszerítették egészen 1955- ig, amikor is megkapta a Rebel Without a Cause című filmben, amiben partnerei James Dean és Dennis Hopper voltak. Ebben a szerepében már a felnőtt, tehetséges lányt mutaták, nem pedig a kislányt. 25 éves korára háromszor jelölték Oscar- díjra; Rebel Without a Cause (Ok nélkül lázadó, Haragban a világgal) , Splendor in the Grass (Ragyogás a fűben) és a Love With the Proper Stranger (Szerelem a megfelelő idegennel) című filmekben nyújtott alakításaiért.

1961- ben Mariát játszott a West Side Story- ban, a film nagy sikert aratott. A filmben eredetileg ő énekelt, de később inkább Marni Nixon hangját választották a filmkészítők. A következő évben már saját hangján énekelt a Gypsy című musicalban. 1965- ben szintén saját hangján énekelt a The Great Race című filmben amelyben olyan partnerei voltak, mint Jack Lemmon és Tony Curtis. Filmjeit nagy sikert arattak, bár Wood színészi játékát mindig is kritizálták, 1966- ban " elnyerte" a Harvard Lampoon- féle az év legrosszabb színésznőjének járó díjat. Miután szerepelt a Bob és Carol és Ted és Alice című filmben, félig- meddig visszavonult a filmezéstől.

1957. december 28- án hozzáment a nála 8 évvel idősebb Robert Wagnerhez, a házasságot 1962- ben felbontották. egyes elképzelések szerint Wood nem tudta elviselni férje golfmániáját, mások szerint anyagi gondok és a stressz is hozzájárult a váláshoz. Évtizedekkel később életrajzírók azt állították, azért hagyta ott Wagnert mert kompromittáló helyzetben találta egy másik férfival.

1969- ben Richard Gregson felesége lett, de ez a házasság is válással végződött két év múlva. 1972- ben pedig újra nőül ment Robert Wagnerhez. Mindkét férjétől született egy- egy lánya. Gregsontól született lányát, Natashát Wood halála után Wagner fogadta örökbe. Másik lánya Courtney.

1981 novemberében már megkezdődött az Agyhalál című film forgatása, Christopher Walkennel. Hálaadás napja után Wagner, Walken és Wood Catalina szigetre mentek. Hajójuk, a Splendor Isthmus Cove- nál horgonyzott. Velük volt Dennis Davern, a hajó kapitánya, aki már évek óta dolgozott a párnak. Wood vagy el akarta hagyni a hajót, vagy a folyton a hajónak ütköző csónakot akarta átvinni a másik oldalra, amikor megcsúszott és a vízbe esett. Egy asszony egy közeli hajón hallott egy női hangot, aki segítség után kiált, de 15 perc múltán megszűntek a hangok.

Az igazságügyi orvosszakértő megállapította, hogy Wood alkoholos állapotban esett a vízbe és megfulladt. A testén eséstől származó nyomokat is találtak. Később azt állították ruhája szívott túl sok vizet magába és az húzta a víz alá.

Woodot a Westwood Village Memorial Park Cemetery- ben temették el. Halálakor színházi debütálásra készült az Anastasia- ban