Окончила Санкт-Петербургскую государственную консерваторию им. Н.А.Римского-Корсакова. С 1997 по 2000 год – солистка Михайловского театра. В 2001 году стала участницей Академии молодых оперных певцов Мариинского театра и дебютировала на исторической сцене в партии Марфы («Хованщина»). 

Лауреат IV Международного конкурса имени Н. А. Римского-Корсакова (2000), дипломант Международного конкурса вокалистов в Барселоне (2000), лауреат высшей театральной премии Санкт-Петербурга «Золотой софит» (1998). 

С 2008 года – солистка оперной труппы Мариинского театра. В настоящее время в ее репертуаре более тридцати ведущих партий в операх русских и зарубежных композиторов.
С труппой Мариинского театра выступает на сценах ведущих оперных театров Японии, Китая, США, Великобритании, Италии, Германии, Франции, Израиля. Исполнила партию Ольги («Евгений Онегин») на сцене парижского театра Шатле и партию Кармен («Кармен») на сцене лиссабонского театра Колизеу.

Принимает участие в концертных программах Санкт-Петербургской филармонии. Концертный репертуар певицы включает меццо-сопрановые партии в Симфонии № 9 Бетховена, Реквиемах Верди и Моцарта, симфониях Малера, а также арии и романсы русских, немецких, итальянских и французских композиторов.
Наталья Евстафьева – частый гость музыкальных фестивалей «Петербургская музыкальная весна», «Опера всем», «Звуковые пути», «Площадь Искусств», «Дворцы Санкт-Петербурга», проекта «Культура рядом». 

С 2019 года – преподаватель кафедры сольного пения Санкт-Петербургской консерватории.