Su familia informó que falleció de insuficiencia cardíaca congestiva derivada de problemas tras el trasplante, que se realizó luego de sufrir una crisis de en su Hepatitis C que la afectó en 2005.

Hija del cantante Nat "King" Cole y de Maria Hawkins Ellington, Natalie se crió en el barrio de Hancock Park en Los Ángeles y debutó musicalmente a los seis años cantó en el álbum de Navidad de su padre y a los 11 comenzó a actuar.

En 1991 realizó un dueto virtual con su padre con el tema "Unforgettable", del disco "Unforgettable with love" por el que ganó un Grammy, y que llegó al número uno y vendió más de 5 millones de copias.

En el '93 editó "Take a Look", que fue disco de oro, mientras que su otro álbum "Holly & Ivy", también tuvo el mismo reconocimiento. En 1996 estrenó "Stardust", disco de platino y presentò otro dúo con su padre en una versión moderna de "When I Fall in Love", que le hizo ganar otro Grammy por Best Pop Collaboration with Vocals.