En 2007 comenzó a salir con el director irlandés Anthony Byrne y[2][3] en 2011 la pareja anunció que se habían comprometido.Dormer ha afirmado que Cate Blanchett ha sido una gran influencia para ella en su carrera como actriz.[8] Dormer es conocida por sus desnudos en series como Los Tudor, Juego de Tronos o The Fades y en películas como Rush o The Scandalous Lady W.[9][10][11][12] Ha dicho que se siente a gusto haciendo escenas de desnudos.El director Lasse Hallström quedó tan impresionado por las dotes cómicas de Natalie, que amplió su papel en la película.En 2007 interpretó a la periodista Cassie en la película Un plan brillante interpretada por Michael Caine y Demi Moore, ese mismo año saltó a la fama cuando se unió al elenco principal de la serie Los Tudor donde interpretó a la reina Ana Bolena, la segunda esposa del Rey Enrique VIII de Inglaterra durante las primeras dos temporadas, hasta 2008 después de que su personaje muriera decapitado.Posteriormente apareció de nuevo durante la cuarta temporada en 2010 cuando el monarca soñó con sus antiguas esposas.Respecto a la pequeña pantalla, apareció de forma recurrente en la serie dramática Silk.En la película compartirá créditos con los actores Paul Bettany, Martin Freeman, Anthony Hopkins y Harrison Ford.
La actriz Natalie Dormer presenta su serie "El Misterio de Hanging Rock" en el Festival de Cine de Zúrich 2018.
