Научный руководитель Института мозга человека РАН.

Родилась в Петрограде. В 1947 году окончила Ленинградский первый медицинский институт имени академика И.П. Павлова. Работала в Ленинградском научно-исследовательском нейрохирургическом институте имени профессора А.Л. Поленова. В 1962 году возглавила созданный отдел прикладной нейрофизиологии. С 1966-го — заместитель директора по научной работе Научно-исследовательского института экспериментальной медицины (НИИЭМ), а с 1970 по 1990 год — его директор.

С 1990 года — научный руководитель Центра «Мозг» Академии наук СССР, а с 1992-го — Института мозга человека РАН.

Имя Натальи Петровны Бехтеревой известно далеко за пределами той области медицины, в которой она совершила открытия. Ее почитают, ею гордятся. В ее честь названа малая планета № 6074 Солнечной системы. Она — лауреат Государственной премии СССР, вице-президент Международного союза физиологов, почетный член Венгерского общества электрофизиологов, иностранный член Академии наук Австрии. Награждена орденами Ленина, Трудового Красного Знамени, медалью Ханса Бергера (Германия), медалью Негри (Италия), наградой имени Мак-Каллоха (США), а также золотой медалью имени В.М. Бехтерева за цикл работ по исследованиям нейрофизиологических основ высших психических функций головного мозга человека и другими наградами.