Наталия Юльевна Шведова родилась в Москве в 1916 г.
В 1935 г. окончила английское отделение Московского переводческого техникума (позднее преобразованного в Институт иностранных языков).
С 1935 по 1936 гг. работала корректором-переводчиком на Московском центральном телеграфе.
В 1940 г. окончила Московский государственный педагогический институт по специальности «русский язык и литература».
С 1940 по 1944 год работала старшим преподавателем в Мордовском учительском институте и Мордовском государственном педагогическом институте (в годы войны – в г. Темникове Мордовской АССР).
В 1946 году по окончании аспирантуры под руководством академика В. В. Виноградова защитила кандидатскую диссертацию на тему «Возникновение и развитие предикативного употребления полных прилагательных в русском языке». С этого же времени начала работать в Институте русского языка АН СССР (в разные годы сливавшимся с Институтом языкознания).
В 1958 г. защитила докторскую диссертацию на тему «Синтаксис русской разговорной речи. Строение простого предложения».
В 60-ые и 70-ые годы в течение ряда семестров читала теоретический курс «Синтаксис русского языка» и вела семинарские занятия на филологическом факультете МГУ им. М. В. Ломоносова.
В 1960 году опубликовала монографическое исследование «Очерки по синтаксису русской разговорной речи», в котором вслед за работой Л. П. Якубинского было положено начало изучению русской разговорной речи.
В 1964 году Н. Ю. Шведовой было присвоено звание профессора.
С 1966 года в течение пятнадцати лет являлась членом Международной грамматической комиссии при Международном комитете славистов.
В 1966 году вышла в свет работа «Активные процессы в современном русском синтаксисе», в которой были вскрыты глубинные закономерности в сфере развития словосочетаний.
В 1982 году удостоена Государственной премии СССР как автор и главный редактор академической «Русской грамматики» (тт. 1-2, 1980), где реализована концепция неразрывной связи лексического и грамматического уровней языка и представлено принципиально новое описание его синтаксического строя.
В 1984 году избрана членом-корреспондентом Академии наук СССР (с 1991 – РАН), в 1997 – действительным членом Российской Академии наук. В Институте русского языка последовательно занимала должности младшего научного сотрудника, старшего научного сотрудника и (в 1961–1989 гг.) заведующего сектором литературного языка (в 1970 году преобразовавшегося в сектор грамматики и истории русского литературного языка, а в 1986 г. – в отдел грамматики и лексикологии современного русского языка).
В течение последних сорока лет (после смерти С. И. Ожегова, 1964 г. ) Н. Ю. Шведова постоянно работает над пополнением и редактированием однотомного «Словаря русского языка (9го –23го изданий). С 1991 года однотомный словарь русского языка выходит как произведение двух авторов — С. И. Ожегова и Н. Ю. Шведовой («Толковый словарь русского языка», изд. 1–4, 1991–2004 гг.).
В 1990 г. как соавтор и ответственный редактор «Словаря русского языка» С. И. Ожегова награждена премией им. А. С. Пушкина Президиума АН СССР.
С 1986 года Н. Ю. Шведова является руководителем и главным редактором «Русского семантического словаря» (т. 1, 1998; т. 2, 2000; т. 3, 2003; т. 4 — в печати; т. 5 — готовится к изданию), построенного на концепции существования лексики как естественной системы.
В 1997 году избрана действительным членом Российской академии наук.
С 2003 до 2009 года Н. Ю. Шведова — главный редактор и соавтор «Русского идеографического словаря: "Мир человека и человек в окружающем его мире"», создаваемого авторским коллективом на основе разработанной ею новой теоретической концепции.
Н. Ю. Шведова была главой ведущей научной школы «Структурно-функциональное описание русского языка в аспекте взаимодействия грамматического и лексического строя, грамматической и лексической семантики, законов текста», у истоков которой стоял ее учитель академик Виктор Владимирович Виноградов.
Награждена государственными орденами и медалями, в том числе в 2002 году — российским орденом Дружбы, а также серебряной медалью Университета имени Яна Евангелиста Пуркине в г. Брно (Чешская республика).
Наталия Юльевна скончалась 18 сентября 2009 года.