Наталья Петровна не дожила до своего очередного дня рождения всего две недели. Внучка знаменитого русского психиатра и невропатолога Владимира Михайловича Бехтерева появилась на свет 7 июля 1924 года в Петрограде. Детские годы будущего академика были далеко не радужными: титулованный дед скончался, когда ей было всего три года, отец был расстрелян в конце 30-х, мать пропала в лагерях, а сама девочка получила клеймо «дочери врага народа».
Близкие Бехтеревой еще при жизни отмечали, что эта трагедия только закалила ее характер и в итоге не помешала ей сделать научную карьеру и стать одним из самых известных исследователей в области нейрофизиологии ХХ века. В 1947 году она окончила Ленинградский первый медицинский институт имени академика Павлова. Работала в Ленинградском научно-исследовательском нейрохирургическом институте имени Поленова.
В 1962 году возглавила созданный отдел прикладной нейрофизиологии. С 1966 года была заместителем директора по научной работе Научно-исследовательского института экспериментальной медицины (НИИЭМ), в 1970-м стала его директором.
В 1990-м году Наталья Бехтерева основала в Петербурге Институт мозга человека РАН, бессменным научным руководителем которого работала все последние 18 лет.
Сын Бехтеревой Святослав Медведев продолжает традицию династии, сейчас он директор Института мозга.
На счету Натальи Бехтеревой - множество фундаментальных исследований и собственная оригинальная научная школа в области физиологии здорового и больного мозга человека. Она - создатель подтвержденной практикой теории о мозговой организации мыслительной деятельности человека системой из жестких и гибких звеньев. Свойство нейронов подкорковых образований головного мозга человека реагировать на смысловое содержание речи и участвовать в качестве звеньев систем обеспечения мыслительной деятельности, зафиксированное Бехтеревой, зарегистрировано в качестве открытия. Автор боле 370 научных работ являлась и основоположником новой ветви неврологии и нейрохирургии - стереотаксической неврологии с разработкой новейших технологий компьютерного стереотаксиса.
В конце мая 2008 года Наталья Бехтерева стала также почетной гражданкой Санкт-Петербурга. Свои соболезнования по поводу ее смерти принесли губернатор города, выдвинувшая Бехтереву в почетные граждане, и депутаты законодательного собрания, выбравшие ученую из списка достойных людей.
Валентина Матвиенко заявила: «Наталья Петровна была тем подвижником, которым гордится отечественная наука... К ее мнению прислушивались не только ученые. Ее принципиальность и твердость характера вызывали огромное уважение. Я была лично знакома с Натальей Петровной. Меня поражали в ней жизненная мудрость, огромный интеллект и беззаветная преданность науке и родному городу». Парламентарии также выразили свои соболезнования.
Из-за болезни Наталья Бехтерева не смогла лично получить последнюю награду в знак благодарности от своего города — уже тогда она была в Германии, где в одном из госпиталей ждала операции. Дата похорон ученой пока не известна.