Наталия Тимченко родилась в Украине. В 2002 году окончила Софийскую Национальную музыкальную академию (класс Констанцы Вачковой), а в последнее время она занимается под руководством знаменитой певицы Вирджинии Зини. В сезоне 2002/03 выступала на сцене Харьковского театра оперы и балета. С 2004 года певица являлась солисткой Академии молодых оперных певцов Мариинского театра, на сцене которого дебютировала в партии Эльвиры («Дон Жуан»). В 2007 году Наталия Тимченко принята в состав оперной труппы Мариинского театра.
Среди партий, исполняемых на сцене Мариинского театра:
Татьяна («Евгений Онегин»)
Лиза («Пиковая дама»)
Купава («Снегурочка»)
Милитриса («Сказка о царе Салтане»)
Земфира («Алеко», концертное исполнение)
Полина («Игрок»)
Лиу («Турандот»)
Леонора («Сила судьбы»)
Амелия («Бал-маскарад»)
Недда («Паяцы»)
Чио-Чио-сан («Мадам Баттерфлай»)
Эльвира («Дон Жуан»)
Также репертуар певицы включает и другие самые разнообразные и сложные партии для лирического и лирико-драматического сопрано: Эммы («Хованщина»), Виолетты («Травиата»), Елизаветы («Дон Карлос»), Дездемоны («Отелло»), Маддалены («Андре Шенье»), Манон («Манон Леско»), Мими («Богема»), Лауретты («Джанни Скикки»), Анжелики («Сестра Анжелика»).
Наталия Тимченко выступала в известнейших концертных залах мира, включая Кеннеди-Центр (Вашингтон), Карнеги-Холл (Нью-Йорк), театр Лисео (Барселона), Барбикан-холл (Лондон), театр Ан-дер-Вин (Вена), Марсельскую оперу, зал NHK (Токио), Московскую филармонию и Фестивальный зал Баден-Бадена. Также певица нередко участвует в концертах, обычно в сопровождении прославленного драматического тенора Владимира Галузина. Среди будущих ангажементов Тимченко – дебют в партиях Дездемоны («Отелло») и Кармен на сцене Мариинского театра; исполнение партии Эммы в «Хованщине» Мусоргского на сцене Опера-Бастиль и партии Чио-Чио-Сан в Новосибирском оперном театре.
В настоящее время Наталья Тимченко проживает во Франции.