Nata a Gor'kij (ora Nižnij Novgorod) Natal'ja viveva nel quartiere cittadino di Avtozavod con la madre (Larisa Kusakina) e due sorelle minori dal lato maternoː Oksana (1988) e Kristina (1995), la prima delle quali affetta da autismo e paralisi cerebrale, in condizioni di grande povertà. I suoi genitori divorziarono quando aveva 2 anni e non ha avuto più contatti con il padre fino a che non è diventata una top model.

Ha lavorato con la madre nei lavori di fattoria già dall'età di 11 anni e ha fatto la venditrice ambulante di frutta. A 15 anni la Vodianova si iscrisse ad un corso di portamento, regalatole dal fidanzato, dove imparò norme di comportamento e di etichetta. Venne poi notata, durante un casting, da un rappresentante di una agenzia che la propose per le passerelle di parigine. A 17 anni, si trasferì a Parigi dove iniziò la sua carriera di modella