1903-cü il sentyabrın 20-də Bakıda Rusiya işçilərinin ailəsində anadan olmuşdur. Birinci Dünya müharibəsi zamanı (1915) Arsenyev ailəsi Yaroslavl şəhərinə köçürülür, burada şairə ilk şeirini (rus dilində) yazır. 1920-ci ildə ailə Vilnüsə qayıdır. Nataliya gəncliyini Vilnüsdə keçirmiş və burada 1921-ci ildə Belarus gimnaziyasından məzun olmuşdur. Vilnüs Universitetinin incəsənət fakültəsində təhsil almışdır. Maksim Qoretski onun poetik bacarığına xüsusi diqqət ayırırdı. 1922-ci ildə Nataliya Françişak Kuşalla ailə həyatı qurmuşdur. Kuşal Polşanın qərbində, şəhərində Polşa ordusunun zabiti olaraq xidmət edirdi.

1939-cu ilin sentyabrından sonra Nataliya Arsenyeva şəhərində yaşamış, "Kəndli qəzeti"nin regional nəşrində işləmişdir. 1940-cı ilin aprelində əsir Polşa zabitinin həyat yoldaşı olduğundan iki oğlu ilə Qazaxıstana sürgün edilmiş və burada kollektiv təsərrüfatda işləmişdir. 1941-ci ilin may ayında BSSR Yazıçılar Birliyinin, xüsusən də Yanka Kupalanın ərizəsi ilə sürgündən Minskə döndü. Burada o, müharibə yolu ilə keçir. İşğal olunmuş Minskdə faşist meylli "Minsk qəzeti" ilə əməkdaşlıq edir. O, operaya bir neçə libretto yazmış, tərcümələrlə məşğul olmuşdur. Oğlu Yaroslav kinoteatrda partizanların təşkil etdiyi partlayış zamanı həlak olur. 1944-cü ildə Belarusun regional müdafiə qüvvələrinin komandiri olan həyat yoldaşı ilə birlikdə Almaniyaya köçürüldü. Nataliya qaçqın düşərgələrində mədəni və təhsil fəaliyyətlərində fəal iştirak edib, Belarus gimnaziyasında dərs demişdir. Sonralar Y. Kupala faşist hakmiyyəti ilə əlaqələri belə izah edirdi: "Heç nəyə görə Sovet hakimiyyətindən əziyyət görmüş insanlar, hansı ki onların əksəriyyəti burada deyildi, almanlara özlərinin xilaskarları kimi böyük bir ümidlə baxırdılar. Həqiqətən də, heç kəs almanların belə qəddar olduğunu düşünmürdü."

Nataliya 1949-cu ildən ABŞ-də yaşamağa başladı. ABŞ-də Belarus qəzetində, Azadlıq Radiosunda və Belarusiyanın Elm və İncəsənət İnstitutunda çalışmışdır. 1970–1980-ci illərdə o, Belarus immiqrantlarının siyasi həyatında fəal iştirakdan uzaqlaşır.

Nataliya Arsenyeva 25 iyul 1997-ci ildə oğlu Vladimirin ailəsi ilə birgə yaşadığı vəfat etmiş və orada dəfn edilmişdir.