Наталья Виртуозова родилась 30 января 1978 года в Ахалкалаки, Грузинская ССР[1][2].
С 1998 по 2003 проходила обучение в МГИМО на факультете международной журналистики. После окончания вуза стала работать сначала как журналист, а затем как сотрудник пресс-службы.
С 2002 по 2003 год работала редактором в «РБК-ТВ». С 2005 по 2012 год возглавляла Управление пресс-службы политического департамента фракции «Единая Россия». В 2012 году работала главным референтом партии «Единая Россия» в аппарате Государственной думы.
С 2012 по сентябрь 2013 года занимала пост советника Губернатора Московской области в ранге министра. В сентябре 2013 года была назначена заместителем Председателя Правительства Московской области.
В 2014 году французский журнал Elle включил Наталью Виртуозову в топ 10 самых влиятельных женщин-политиков России.
В июле 2015 года была назначена должность вице-губернатора Московской области. Занималась созданием и реализацией единой информационной политики. В её обязанности входили контроль и координация деятельности Главного управления по информационной политике и Главного управления социальных коммуникаций Московской области, а также регионального Комитета по туризму.
9 февраля 2022 года было объявлено, что 14 февраля Наталья Виртуозова покинет свой пост вице-губернатора по собственному желанию.
СМИ называют возможным кандидатом в губернаторы Красноярского края.