Наталия Ивановна родилась в 1917 году в Петрограде. В 1939 году окончила Кубанский медицинский институт. Стала работать ординатором детской клиники, а затем поступила в аспирантуру на кафедру детских болезней Кубанского мединститута.
Призвавшись практически сразу же после начала войны, Наталия Ивановна прошла долгий фронтовой путь. К мирной жизни удалось вернуться только в июле 1946 года. Она стала ассистентом кафедры детских болезней, а с 1954 года возглавила эту кафедру в Сталинградском медицинском институте. В том же году защитила кандидатскую диссертацию на тему «Ревматизм у детей Сталинграда и борьба с ним», и это стало важным достижением в изучение педиатрии.

Сложно переоценить вклад Наталии Ивановны в педиатрию России. Она является автором более 20-ти научных работ, большинство из которых касалось ревматизма у детей, заболеваний верхних дыхательных путей и кишечных инфекций. Кроме того, ее деятельность не ограничивалась только научной работой: она более 15 лет возглавляла областное общество педиатров, способствуя развитию детской медицины в регионе.

В ряды Красной Армии Наталия Ивановна была призвана в августе 1941 года. Её работа в условиях войны оказалось не только сложной, но и требовала огромного мужества и профессионализма. Н. И. Дмитриева была военным врачом 3 ранга, капитаном медицинской службы, а затем – начальником терапевтического отделения полевых госпиталей действующих армий: ПЭП 5 18-й армии; ГЛР 5536, ПЭП 157 60-й армии 4-го Украинского фронта; АГЛР 1608 56-й армии Северо-Кавказского фронта.

Наталия Ивановна награждена орденами «Красная Звезда», «Знак Почёта», медалями «За боевые заслуги», «За оборону Кавказа», «За победу над Германией в Великой Отечественной войне 1941-1945 гг.».