Родилась 28 мая 1945 года. В 1967 году окончила Театральное училище имени Щукина (курс Л. М. Шихматова). Наталью с первого раза в "Щуку" не приняли. Но на следующий год её внешние и актёрские данные оценили хорошо и зачислили в училище. Среди её однокурсников по училищу были Н. С. Михалков, А. А. Вертинская, Н. П. Бурляев, Л. А. Пашкова, Н. Н. Терентьева и др.
По окончании Щукинского училища была принята в ЦАТСА. Но вслед за Леонидом Хейфецем Сергей Шакуров и Наталья Вилькина бросили заявления об уходе. Произошло это после закрытия спектакля "Два товарища" по Владимиру Войновичу.
В 1970 году актриса перешла в МАДТ имени Вл. Маяковского. Наиболее заметными работами на этой сцене были роли:
- Негина ("Таланты и поклонники" А.Н. Островского),
- Зинаида ("Дядюшкин сон" по Ф.М. Достоевскому; оба спектакля - в постановке М.Кнебель и Н.Зверевой),
- Пола ("Три минуты Мартина Гроу" Г.Боровкина, постановка А.Гончарова и Е.Красницкого).
В 1972 году перешла в Малый театр. Среди ролей в Малом:
- Инкен Петерс ("Перед заходом солнца" Г. Гауптмана),
- Надя Ольховцева ("Летние прогулки" А.Д. Салынского),
- Аннинька ("Господа Головлёвы" по М.Е. Салтыкову-Щедрину),
- Леонора ("Заговор Фиеско в Генуе" Ф. Шиллера),
- Странница ("Утренняя фея" А. Касоны),
- Софья ("Зыковы" М. Горького),
- Глафира ("Холопы" П.П. Гнедича) и др.
Постепенно весь репертуар, в котором была занята Натальи, сняли. Последние 4 года жизни она вообще ничего не играла. "Долгий путь в ночь" оказался последним спектаклем с её участием.
Свою жизнь Наталья Вилькина сгубила сама пагубным пристрастием к курению. За день Наталья Вилькина выкуривала 5-6 пачек сигарет, и вскоре у неё начались проблемы с лёгкими, но несмотря на это, она продолжала сниматься.
Она умерла 7 апреля 1991 года, в праздник Воскресения Христова (Пасха), который в тот год совпал с праздником Благовещения Пресвятой Богородицы, и в день рождения Елены Николаевны Гоголевой, с которой очень дружила. Она пришла в театр с мужем договариваться о постановке пьесы польского режиссёра. Виктор Коршунов дал ей добро. Костюмерша, видевшая её, вспоминает, что Наталья выглядела прекрасно, но задыхалась, как от сильного волнения. Сидела на подоконнике, курила, болтала... Выйдя из кабинета Коршунова, она упала и через несколько часов её не стало.
Похоронили актрису на Пятницком кладбище в Москве.
В 1998 году в документальном цикле Леонида Филатова «Чтобы помнили» (глава 49) вышла передача, посвящённая жизни и творчеству Н.М. Вилькиной.
Семья- Мать - Бундикова Тамара Николаевна.
- Брат - Александр Вилькин, актёр
- Муж - Игорь Охлупин, актёр.
- Дочь - Алёна Охлупина, актриса.