Наталья Загоринская родилась в Москве. Окончила Центральную музыкальную школу (класс фортепиано Татьяны Николаевой), затем вокальный факультет Московской государственной консерватории имени П. И. Чайковского (класс профессора Веры Кудрявцевой-Лемешевой, под руководством которой в дальнейшем прошла ассистентуру-стажировку). В 1991 году была принята в труппу Московского музыкального театра «Геликон-опера» под руководством Дмитрия Бертмана.
Певица сотрудничала с выдающимися музыкантами современности, такими как Геннадий Рождественский, Александр Бахчиев, Виталий Катаев, Владимир Понькин, Владимир Спиваков, Теодор Курентзис, Рейнберт де Леу, Гюнтер Хербиг, Фридрих Церха, Хайнц Холлигер, Петер Рундель, Томас Адес, Оливье Кюанде, Эмилио Помарико, Сильвен Камбрелен, с известными ансамблями современной музыки: InterContemporain (Париж), Asko|Schoenberg (Амстердам), MusikFabrik (Кёльн), Die Reihe (Вена), Klangforum (Вена), UMZE (Будапешт), Remix Ensemble casa da musica (Порту), Contrechamps (Женева), Nieuw Ensemble Amsterdam, Le Nouvel Ensemble Moderne (Монреаль), Birmingham Contemporary Music Group. Участвовала в международных фестивалях в Москве («Территория»), Париже (Осенний фестиваль), Зальцбурге (летний фестиваль и «Неделя Моцарта»), Олдборо (Бриттеновский фестиваль искусств), Эдинбурге, Сантандере, Кольмаре, Люцерне, Хельсинки, Саарбрюккене и др. Концерты с ее участием проходят в лучших залах мира, в числе которых Большой зал Московской консерватории, Карнеги-холл (Нью-Йорк), Гранд-Опера (Париж), венский Концертхаус и Музикферайн, Консертгебау и Музикгебау (Амстердам), Виктория-холл (Женева), Солитер в Университете Моцартеум (Зальцбург).
В репертуаре певицы – свыше 40 партий в операх русских, западных классиков и современных авторов, в том числе Татьяна, Лиза, Иоланта («Евгений Онегин», «Пиковая дама» и «Иоланта» Чайковского), Аида, Виолетта, Амелия, Алиса Форд («Аида», «Травиата», «Бал-маскарад», «Фальстаф» Верди), Графиня Альмавива («Свадьба Фигаро» Моцарта), Недда («Паяцы» Леонкавалло»), Русалка в одноименной опере Дворжака, Стефания («Сибирь» Джордано), Фата Моргана («Любовь к трем апельсинам» Прокофьева), Мариана («Запрет на любовь» Вагнера), Царица Александра Федоровна («Распутин» Риза), Эмилия Марти («Средство Макропулоса» Яначека), Бланш и Она («Диалоги кармелиток» и «Человеческий голос» Пуленка), Анна I («Семь смертных грехов» Вайля), вокальные циклы, русские романсы. В 1998 году за партию Кармен в одноименной опере Бизе (номинация «Лучшая женская роль в опере») удостоена национальной театральной премии «Золотая маска».
Наталья Загоринская также выступает с концертными программами, она авторитетный интерпретатор музыки XX и XXI веков – сочинений Шостаковича, Ноно, Булеза, Даллапикколы, Пуленка, Денисова, Этвёша, Картера, Берга, Стравинского, Кастильони, Цемлинского, Шрекера и др. Особую роль в карьере артистки сыграл венгерский композитор Дьёрдь Куртаг: она стала эталонной исполнительницей его цикла «Послания покойной Р. В. Трусовой» на стихи Риммы Далош и Песен на стихи Ахматовой (посвящены Загоринской), которые неоднократно исполняла в разных странах мира и записала для ECM, а также включила в свой репертуар его Четыре каприччио для сопрано и камерного ансамбля, циклы «Реквием по другу» и «Сцены из романа» на стихи Риммы Далош.
В 2006 году Наталье Загоринской присвоено почетное звание «Народная артистка Российской Федерации».
