Наталья Витальевна Дмитриева родилась 8 мая 1955 года в Моздоке.
В 1978 году окончила лечебный факультет Новосибирского медицинского института. В 1988 году успешно защитила диссертацию по медицине на тему «Профилактика сердечно-сосудистых заболеваний у рабочих радиоэлектронной промышленности», получив степень кандидата медицинских наук. В 1997 году Н. В. Дмитриева прошла цикл усовершенствования по психиатрии при факультете усовершенствования врачей при НГМИ.
В 1999 году Н. В. Дмитриева успешно защищает диссертацию по психологии на тему «Психологические факторы трансформации идентичности личности», получив степень доктора психологических наук. В 2002 году она была избрана академиком Международной академии наук педагогического образования. С 1990 по 2012 гг. Н. В. Дмитриева работала в Новосибирском педагогическом университете, где создала кафедру Психологии личности и специальной психологии, которой руководила 10 лет.
С 2013 года Н. В. Дмитриева работает в Санкт-Петербургском государственном институте психологии и социальной работы, где занимает должность профессора кафедры Педагогики и психологии девиантного поведения.
Является автором 32 книг и 500 научных публикаций по психологии и психотерапии.
Один из основателей нового психологического направления «Ассоциативные карты в психоанализе и психотерапии».
Создала школу психотерапевтов и психологов, защитивших 40 кандидатских и докторских диссертаций. Автор уникальных запатентованных методик по работе с ассоциативными картами. Признанный в России и за рубежом тренер и специалист в области психотерапии.