Родилась 7 июля 1924 года в Ленинграде. Она — внучка выдающегося физиолога, психиатра и невропатолога Владимира Михайловича Бехтерева, дочь известного инженера и изобретателя Петра Владимировича Бехтерева.
В 1947 г. закончила 1 Ленинградский медицинский институт им. акад. И.П. Павлова. В 1950 г. закончила аспирантуру в Институте физиологии ЦНС АМН СССР. Уже в годы обучения в институте и аспирантуре Наталья Бехтерева проявила себя незаурядным исследователем. Работа в нейрохирургическом институте имени А.Л. Поленова стала основой для написания кандидатской диссертации «Сравнительная характеристика возбудимости вегетативного и двигательного аппаратов при электрическом раздражении коры головного мозга», которую Бехтерева успешно защитила в Институте физиологии имени И.П. Павлова АН СССР. С 1950 по 1954 гг. - младший научный сотрудник Института экспериментальной медицины АМН СССР. В 1951 г. присуждена научная степень кандидата биологических наук, в 1959 г. - научная степень доктора медицинских наук. С 1954 по 1962 гг. - старший научный сотрудник, руководитель лаборатории, заместитель директора Ленинградского Научно-исследовательского нейрохирургического института им. проф. А.Л. Поленова. После защиты докторской диссертации Наталья Петровна возглавила лабораторию электрофизиологии и курировала научную работу Нейрохирургического института, став заместителем директора. В клинике она применила метод вживленных электродов и показала связь колебаний возбудимости мозга с изменениями биопотенциалов.
Многие годы (1962—1990) Наталья Петровна отдала работе в Научно-исследовательском институте экспериментальной медицины АМН СССР: заведующий отделом, заместитель директора по научной работе, и.о. директора, директор. С 1990 года Н.П. Бехтерева — научный руководитель Института мозга человека РАН.
Н.П. Бехтерева - ведущий ученый, заложивший основы фундаментальных исследований и создавший оригинальную научную школу в области физиологии здорового и больного мозга человека. При широком использовании в нейрофизиологии возможностей физики, математики, нейробиологии ею создан комплексный метод исследования принципов структурно-функциональной организации головного мозга человека, разработана методология исследования мозговых механизмов мышления, памяти, эмоций, творчества. Получила полное подтверждение теория Н.П. Бехтеревой о мозговой организации мыслительной деятельности человека системой из жестких и гибких звеньев. В качестве открытия зарегистрировано свойство нейронов подкорковых образований головного мозга человека реагировать на смысловое содержание речи и участвовать в качестве звеньев систем обеспечения мыслительной деятельности. За фундаментальные исследования в области физиологии здорового и больного мозга человека Н.П. Бехтеревой с сотрудниками в 1985 году присуждена Государственная премия СССР в области науки. Под ее руководством создана также новая ветвь неврологии и нейрохирургии - стереотаксическая неврология с разработкой новейших технологий компьютерного стереотаксиса.
В исследованиях общих и частных проблем патофизиологии и патогенеза длительно текущих заболеваний нервной системы, преимущественно связанных с поражением глубоких структур головного мозга, под руководством академика Н.П. Бехтеревой решена одна из центральных задач функциональной нейрохирургии — обеспечение предельно точного и щадящего контакта с мозговыми образованиями. Под ее руководством создана также новая ветвь неврологии и нейрохирургии — стереотаксическая неврология с разработкой новейших технологий компьютерного стереотаксиса. Ею исследованы и сформулированы принципы надежности деятельности мозга и открыт мозговой механизм оптимизации мыслительной деятельности - детектор ошибок (1968 и др.).
В последние годы академиком Н.П. Бехтеревой предложен принципиально новый подход к познанию принципов и механизмов жизнедеятельности здорового и больного мозга человека на основе объединения многолетнего опыта комплексных нейрофизиологических исследований с использованием позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Реализация этого подхода обеспечена созданием в 1990 году Института мозга человека РАН на базе ранее организованных Н.П. Бехтеревой отдела нейрофизиологии человека (1962) и клиники функциональной нейрохирургии и неврологии (1980). Такого рода научный комплекс является взаимодополняющим и взаимообогащающим. Под руководством Натальи Петровны изучается мозговая иерархическая организация обеспечения эмоций и других высших функций. Начато и интенсивно развивается исследование мозговой организации творческих процессов. В результате проведенного ПЭТ-исследования был выделен набор структур мозга, который можно рассматривать как систему (или часть системы), вовлеченную в процесс решения творческих задач. Показана структура правого полушария, отвечающего за реализацию творческих потенций. Выявлен феномен альтернативного зрения.
Академик Н.П. Бехтерева — автор и соавтор 370 научных работ (более 140 опубликовано в международной периодике), в том числе 15 монографий (4 переизданы за рубежом), многих глав в отечественных и иностранных руководствах по физиологии.
Научные награды: медаль имени Х. Бергера (Германия, 1970); медаль имени Мак-Каллока (США, 1972); медаль Болгарского союза научных работников (1984); золотая медаль имени В.М. Бехтерева (РАН, 1998); “Награда века” (Международная организация по психофизиологии, 1998); именная медаль Чести “2000-летия” (Американский биографический институт, 1998); медаль “За заслуги в области экологии” (Международная академия наук экологии, безопасности человека и природы, 1999); Орденский знак Высшего общественного признания, Чести и Достоинства “Русь державная” (интеллектуальная российская инициатива деятелей науки, искусства, культуры “Наследие державной России, 1999); премия имени И.П. Павлова (2000); Национальная премия общественного признания достижений женщин России “Олимпия” за 2001 год (2002); Американская медаль Чести (Американский биографический институт, 2002); лауреат международной премии Фонда Святого Всехвального апостола Андрея Первозванного (с вручением знаков премии: “Державный Орел”, “Орденская Звезда”, 2003); международная награда “Живая легенда” (Международный биографический центр, Англия, 2003); орден “Звезда Созидания” (International Classic Centre, 2003); лауреат премии (с вручением золотой медали) Фонда В.С. Высоцкого “Своя колея” (2004); кавалер Золотого ордена “За заслуги перед обществом” I степени, ? 004 (Национальная общественная организация “Здоровье”, 2004). Имя “БЕХТЕРЕВА” присвоено малой планете ? 6074 Солнечной системы (Международный астрономический союз, 1999).
Работы:
“Биопотенциалы больших полушарий головного мозга при супратенториальных опухолях” (1960; Нью-Йорк, 1962), “Болезнь Рейно (клиника, нейропатофизиологические механизмы)” (1965), “Физиология и патофизиология глубоких структур мозга человека” (1967; ГДР, 1969), “Нейрофизиологические аспекты психической деятельности человека” (1971, 1974; США, 1978), “Мозговые коды психической деятельности” (1977), “Устойчивое патологическое состояние при болезнях мозга” (1978), “Здоровый и больной мозг человека” (1980, 1988; на испанском языке, 1984), “Нейрофизиологические механизмы мышления” (1985), “Per aspera…” (1990), “Электрическая стимуляция мозга и нервов у человека” (1990), “О мозге человека” (1994), “О мозге человека. ХХ век и его последняя декада в науке о мозге человека” (1997), “Магия мозга и лабиринты жизни” (1999), “Neuronal activity of human caudate nucleus and prefrontal cortex in cognitive tasks” (1998), “Depth electrodes in clinical neurophysiology: neuronal activity and human cognitive function” (2000). Является автором большого числа публикаций в журнале “Физиология человека”.
Наталья Петровна умерла в 2008 г. в Гамбурге.