Родилась в Киеве 28 декабря 1951 года в многодетной семье. В 1959—1965 гг. вместе с матерью проживала на Донбассе, в 1965 году вернулась в Киев.

В 1969 году поступила на учётный факультет Киевского института народного хозяйства (КИНХ) им. Д. С. Коротченко.

Во время учёбы в ВУЗе была Ленинским стипендиатом, членом комитета комсомола института, депутатом Совета депутатов трудящихся Радянского района г. Киева. Занималась научной студенческой работой, была победителем республиканского и международного конкурсов научных студенческих работ.

В 1973 году окончила институт с красным дипломом и получила направление в аспирантуру КИНХа, где училась с ноября 1973 по ноябрь 1976 гг.

С августа по ноябрь 1973 г. работала старшим экономистом в отделе статистики транспорта ЦСУ УССР.

В 1974 г. вступила в КПСС.

В марте 1977 года Витренко защитила кандидатскую диссертацию.

С июня 1977 по сентябрь 1979 гг. работала вначале младшим, а затем старшим научным сотрудником НИИ научно-технической информации Госплана УССР,

в 1979—1989 гг. — доцентом кафедры статистики КИНХа.

В 1989 г. перешла на работу старшим научным сотрудником в Совет по изучению производительных сил (СОПС) АН Украины.

С 1991 по 1994 гг. училась в докторантуре СОПСа.

В апреле 1991 г. выступила в СОПСе АН Украины с докладом «Приватизация и социалистический выбор», в котором резко критиковала начинающуюся в стране приватизацию.

В 1991 году принимала участие в работе над экономическим разделом новой редакции программы КПУ. После запрета КПУ активно включилась в создание Социалистической партии Украины (СПУ), стала главным разработчиком программных документов партии, руководителем теоретического центра партии, редактором партийного журнала «Выбор». В мае 1993 г. вышла монография Н. Витренко «Социальная инфраструктура Украины: оценка уровня и перспектив развития».

5 апреля 1994 г. Витренко защитила докторскую диссертацию на тему «Региональные проблемы развития социальной инфраструктуры». Подготовила для парламента Украины экономическую программу «Основные направления становления экономики Украины в кризисный период», которая 15 июня 1994 г. была принята Верховным Советом Украины.

С июня 1994 по январь 1995 гг. Наталья Витренко работала советником по социально-экономическим вопросам Председателя Верховного Совета Украины Александра Мороза. В декабре 1994 г. стала народным депутатом Украины от Конотопского избирательного округа (Сумская обл.).

В октябре 1995 г. с трибуны Верховного Совета Украины огласила альтернативную правительственной «Экономическую программу предотвращения национальной катастрофы». А. Мороз отказался поставить её на голосование, поддержав программу правительства и президента Кучмы. Витренко — автор 72 законопроектов, одна из основателей межпарламентского объединения ЗУБР (за Союз Украина-Беларусь-Россия).

В феврале 1996 года Витренко была исключена из Соцпартии.

В апреле 1996 года вместе с Владимиром Марченко создала Прогрессивную социалистическую партию Украины (ПСПУ), объявившую своей целью восстановление советской власти, как власти трудового народа, создание плановой, социалистической экономики, вхождение Украины в союз с Россией и Белоруссией.

В 1998 году ПСПУ под руководством Витренко преодолела 4 % барьер и прошла в парламент. Сама Наталья Витренко и Владимир Марченко победили в своих мажоритарных округах.

В 1996, 1997 и 1998 годах Наталья Витренко была признана «Женщиной года» на Украине. В 1999 году Витренко стала первой в истории Украины женщиной-кандидатом в президенты страны

В ходе предвыборной кампании 2 октября 1999 года на Витренко было совершено покушение в Кривом Роге. После её встречи с избирателями в неё и сопровождавших её депутатов были брошены 2 боевые гранаты РГД-5. Витренко получила осколочные ранения, в целом пострадало 44 человека. Организатором покушения решением суда признан доверенное лицо лидера СПУ А. Мороза Сергей Иванченко.

На президентских выборах 1999 г. Витренко заняла 4 место, получив 10,97 % голосов избирателей.

В 2002 году Витренко возглавила двухпартийный избирательный «Блок Натальи Витренко», получивший 3,22 % голосов избирателей (при 4 % барьере).

В первом туре президентских выборов в октябре 2004 года она заняла пятое место, получив 1,53 % голосов. Во втором туре поддержала Виктора Януковича.

В парламентских выборах 2006 года ПСПУ участвовала в составе двухпартийного именного блока «Народная оппозиция». Блок возглавляла Н. Витренко. Блок отстаивал изменение экономической модели хозяйствования, присоединение Украины к союзу России и Белоруссии, отказ от вступления в НАТО, ЕС и ВТО, придание русскому языку статуса государственного.

При 3 % барьере Блок набрал 2,93 %. По поводу фальсификации выборов (не хватило 0,07 % для прохождения в парламент) было сделано 63 обращения в суды первой инстации. Рассматривал дело и Высший административный суд. Но пересчёт голосов на избирательных участках сделать не разрешили.

На выборах в местные советы 2006 года Блок Витренко «Народная оппозиция» получил представительство в 19 регионах Украины, в местные советы которых прошло около 500 депутатов от Блока.

Витренко избрана академиком Академии строительства Украины, академиком Украинской академии экономической кибернетики, член-корреспондентом Петровской академии наук и искусства Российской Федерации, профессором Института социализма Российской Федерации!

 В 2009 году была избрана премьер-министром оппозиционного Правительства народного спасения. Председательница Всеукраинской общественной женской организации «Дар жизни» (с 2000 г.).Председатель общественной организации «Собор православных женщин Украины» (с 2010 г.) и Всеукраинской общественной организацией «Евразийский народный союз» (с 2011 г.). На выборах-2012 ни Витренко, ни возглавляемая ею партия участия не принимали, по причине отсутствия необходимых денежных средств

Наталья Витренко — бессменный лидер ПСПУ, руководитель Всеукраинской женской организации «Дар жизни».

Имеет троих детей и троих внуков.