Natalia Larrea nace en Madrid en 1985. En 2010 obtiene el título en Ingeniería Superior de Telecomunicación por la Universidad Alfonso X El Sabio, graduándose primera de su Promoción.
Durante sus estudios recibe diversos premios y acreditaciones de excelencia de la Comunidad de Madrid por excelente expediente académico.
En 2009/10 cursa su último año como estudiante de intercambio en École Polytechnique de Montréal (Canadá) especializándose en Tecnologías espaciales e ingeniería de microondas. Al mismo tiempo trabaja en el Advanced Research Centre in Microwaves and Space Electronics (Poly-Grames), donde colabora en la validación de un sistema de tomografía de microondas para la detección de cáncer de mama.
En 2011 es seleccionada como trainee en la Agencia Espacial Europea (ESA) para trabajar con el equipo del Observatorio Espacial Herschel. Paralelamente termina los estudios para obtener el Diploma en Astronomía y Ciencia Planetaria en la Open University (Reino Unido). En 2011 recibe la beca La Caixa para cursar un máster en Ingeniería Aeroespacial en la universidad de McGill (Montreal). Tras acabar el máster, Natalia trabaja como systems engineer en MDA Corporation en el diseño de satélites. En enero de 2016 comienza a trabajar como Space Consultant en Euroconsult, en Montreal, donde se encuentra actualmente.
En 2019 Natalia Larrea es elegida como "International Emerging Space Leader" por parte de la Mars Society y se ha convertido en la comandante de una misión en la que han participado 8 personas de todo el mundo, incluida otra española, y que se ha desarrollado en el Mars Desert Research Station en Utah.
En su tiempo libre le gusta viajar, leer, hacer kayak, ir de camping, escalada y coleccionar sellos (sobre temática espacial). Cuando tiene la oportunidad, imparte charlas a estudiantes y se involucra en actividades de divulgación científica.