Наталья Михайлова родилась в Санкт-Петербурге. Музыкальное образование получила в Музыкальном училище им. Н. А. Римского-Корсакова (класс фортепиано М. И. Лебедя, класс органа Ю. Н. Семенова), в Казанской государственной консерватории им. Н. Жиганова (класс органа народного артиста России, профессора Р. К. Абдуллина), в Санкт-Петербургском государственном университете (класс органа заслуженного артиста России, профессора Д.Ф.Зарецкого) и в аспирантуре Казанской государственной консерватории им. Н.Жиганова (класс органа народного артиста России, профессора Р. К. Абдуллина).
Принимала участие в международных мастер-классах под руководством ведущих западных профессоров: М. Харриса, Ж.-П. Умбера, П. Кривелларо, П. Планявского, М. Шапюи, Л. Ломанна, В. Церера, Л. Гиельми, Л. ван Дуселара, Г. Роста, Б. ван Оостена, М. Радулеску, в 2008 — 2010 гг. обучалась на международных Летних органных академиях в Харлеме и Алькмаре (Нидерланды).
Лауреат международных конкурсов органистов (Болгария, 2007 — 1 премия; Италия, 2009 — 1 премия; Польша, 2009 — 2 премия), Дипломант и обладатель Специального приза Международного конкурса концертных органистов (Казань, 2008), обладатель премии Георгия Бооса «Надежда Отечества» и Специального приза VII Международного конкурса им. М. Таривердиева (Гамбург-Калининград, 2011).
