Rođena je 20. srpnja 1939. godine u San Franciscu kao Natalia Nikolaevna Zakharenko, dijete ruskih emigranata Marije Stepanovnae i Nikolaia Stepanovicha Zakharenka. Njen otac, koji je bio rodom iz Vladivostoka, s majkom i dva brata prebjegao je u Montreal, odakle se kasnije preselio u San Francisco. Život ga nije mazio, a radio je kao fizički radnik i stolar. Natalijina majka bila je porijeklom iz južnog Sibira, ali je odrasla u kineskom gradu Harbinu.

Govoreći kasnije o svojim korijenima, već kao velika holivudska zvijezda, Natalie Wood je u svojim pričama preplitala potpuno različite bajke o Ciganima čergarima, bogatim zemljoposjednicima i aristokratima. Podizana je u pravoslavnom duhu i te vjeroispovjesti nikada se nije odrekla. Njena majka maštala je da joj kći postane glumica ili balerina, što se neočekivano brzo ostvarilo.

Jedan od biografa Natalie Wood smatra da je, u oskudici u kakvoj su živjeli, majka svoje snove i maštanja prenijela na srednju kćerku. Ona je, kad god je mogla, vodila malu Nataliju u kino.  “Sjećam se kako mi je govorila da onaj snimatelj s kraja Paramauntovih dokumentaraca, koji uperi svoj objektiv u publiku, u stvari snima mene. Ja sam se namještala, pozirala i smiješkala da ispadnem što bolje, mislila sam da će me on učiniti poznatom. Vjerovala sam u sve što mi je majka govorila”, otkrila je glumica jednom prilikom.