Baignée dans le milieu artistique depuis sa naissance, d'un père décorateur de cinéma et d'une mère danseuse, Natalie Wood débute très jeune à l'écran.
Remarquée par le réalisateur Irving Pichel, Natalie Wood tient son premier rôle important dans Demain viendra toujours alors qu'elle n'est âgée que de six ans ; elle y donne la réplique à Orson Welles. La petite fille devient une jeune actrice confirmée au fil de ses films et la reconnaissance arrive en 1955 avec son interprétation dans le film, devenu mythique pour toute une génération, Rebel without a cause (La fureur de vivre) aux côtés de James Dean en pleine gloire. Après le drame d'une jeunesse, Natalie Wood tourne à deux reprises dans des westerns, The burning hills (Collines brûlantes, 1956) de Stuart Heisler et The Searchers (id.) de John Ford. En 1958, avec La fureur d'aimer (I. Rapper, 1958), Natalie Wood passe du côté des actrices matures. Boudée par le public, qui lui préfère les rôles de midinettes, et malgré le succès de West Side Story, il faut un Elia Kazan pour faire ressortir tout le talent de Natalie Wood, interprète principale de La fièvre dans le sang (1961). Elle y joue aux côtés de Warren Beatty les adolescentes perturbées et hypersensibles. Mal à l'aise dans les comédies, et mal aimée des américains, c'est dans le drame qu'elle s'exprime le mieux. Robert Mulligan la met en scène dans Une certaine rencontre (1964) et Daisy Glover (1966). Se faisant de plus en plus rare au cinéma, Natalie Wood apparaît pour la dernière fois dans Brainstorm de Douglas Trumbull avant de périr noyée en 1981.
Natalie Wood apparaît également dans quelques épisodes de séries télévisées : Hart to hart, The Kaiser aluminum hour, Four star playhouse.