Bondartsjuk vokste opp i Moskva. Begge foreldrene var skuespillere; faren Sergej Bondartsjuk kom fra Ukraina og moren Inna Makarova fra Sibir. Natalja Bondartsjuks store internasjonale gjennombrudd var hovedrollen som Hari i Andrej Tarkovskijs meditative psykodrama (1972) som utspiller seg på en romstasjon.