Как дочь «врага народа» Петра Владимировича Бехтерева, Наталья Петровна вместе с братом воспитывалась в детском доме, в войну жила в блокадном Ленинграде.

В 1947 году окончила 1-й Ленинградский медицинский институт им. И.П. Павлова. Прошла путь от старшего научного сотрудника до заместителя директора в Нейрохирургическом институте им. А. Поленова. С 1962 года заведовала отделом нейрофизиологии человека в Институте экспериментальной медицины, с 1970 по 1990 год была его директором. С 1990 года Н.П. Бехтерева ‒ научный руководитель Центра «Мозг» АН СССР, с 1992 года ‒ руководитель научной группы нейрофизиологии мышления, творчества и сознания Института мозга человека РАН.

В 1974-1980 гг. Бехтерева была вице-президентом Международного союза физиологических наук; с 1982 по 1994 год ‒ вице-президентом Международной организации по психофизиологии при ООН.

Автор (соавтор) около 400 научных работ (в том числе монографий), глав в отечественных и иностранных руководствах по физиологии. Создала научную школу в области физиологии здорового и больного мозга человека.

Наталья Петровна Бехтерева: "каждый должен выполнить свой долг" // Аптекарский остров. - 2018. - 12 июня (№ 6). - С. 3. - (Аптекарский огород)

Бехтерева, Н. П. Магия мозга и лабиринты мозга. - Москва : АСТ ; Санкт-Петербург : Сова, 2007.

Бехтерева, Н. П. Здоровый и больной мозг человека. - Москва : АСТ ; Санкт-Петербург : Сова ; Владимир : ВКТ, 2010.