Tomó clases de baile a la edad de doce años, mientras estudiaba en una escuela privada de chicas en Brighton. Estudió en la London Academy of Music (Academia Londinense de Música) durante tres años, donde de graduó en 1993. Comenzó a trabajar en el teatro en obras como El conde de Montecristo, de Alexandre Dumas, Ricardo III y El sueño de una noche de verano, de Shakespeare, y en otras obras como The Cherry Orchard. Debutó en la televisión en la serie de la BBC Bergerac en 1991. En el cine actuaría por primera vez en 1996 en la película Sobreviviendo a Picasso, aunque su primera actuación destacada, que le valdría fama, sería junto a Jim Carreyen la película El show de Truman (The Truman show) de 1998. Sus papeles más importantes fueron en las películas Ronin con Robert De Niroy Solaris con George Clooney Actualmente está trabajando en la serie de televisión estadounidense Californication junto con David Duchovny Natascha McElhone se casó con el cirujano plástico Martin Hirigoyen Kelly, el 19 de mayo de 1998. La pareja vivió en Fulham, West London, con sus dos hijos: Theodore (nacido en el 2000) y Otis (nacido en mayo del 2003). El 20 de mayo de 2008, su marido, Martin Hirigoyen, de 43 años de edad, murió en la entrada de su casa a causa de una miocardiopatía dilatada, mientras Natascha se encontraba trabajando en California (Estados Unidos). Su tercer hijo, Rex, nació después de la muerte de Kelly, en octubre de 2008.