Il padre Nikolaj, architetto, era figlio dell'emigrante ucraino Mykola Stepanovič Zacharenko, i cui genitori Stepan Zacharenko ed Evdokija Savčenko si erano trasferiti a Vladivostok da Charkiv. La madre Maria Stepanovna Zudilova, ballerina, proveniva da una famiglia di aristocratici russi di Barnaul che, divenuti cittadini statunitensi, avevano cambiato il loro cognome in Gurdin. La bellezza bruna e gli occhi magnetici, uniti alla capacità d'interpretare il tipo di giovane donna inquieta e intensa, spesso soffocata dalle convenzioni sociali, la resero una delle attrici più interessanti della sua generazione[senza fonte].
L'attrice, all'epoca quarantatreenne, morì in circostanze misteriose il 29 novembre 1981, annegando al largo dell'isola di Santa Catalina dopo essere scesa nell'Oceano Pacifico con un gommone dal suo panfilo, sul quale si trovava insieme al marito Wagner e all'attore Christopher Walken. Sullo yacht era presente anche il comandante Dennis Davern. Sebbene si fosse parlato inizialmente di un flirt tra lei e Walken, col quale stava recitando in Brainstorm - Generazione elettronica (uscito postumo nel 1983), le testimonianze di Walken e Wagner sull'incidente furono perfettamente coincidenti.
Trenta anni prima, proprio nello stesso tratto di mare, la Wood aveva girato per il film La diva la scena di una gita in barca insieme a Bette Davis e a Sterling Hayden. Il corpo dell'attrice fu recuperato dalle autorità alle 8:00 del mattino del 29 novembre, un miglio lontano dalla barca, mentre il gommone si era arenato nelle vicinanze. Secondo Wagner, quando andò a letto, Wood non c'era: egli ammise anche di aver avuto una discussione con lei prima che scomparisse[2]. L'autopsia rivelò che il contenuto di alcol nel sangue di Wood era dello 0,14% (all'epoca in California il limite massimo per guidare un'auto era di 0,10%) e c'erano tracce di due tipi di farmaci nel suo sangue che, entrambi, aumentano gli effetti dell'alcool. Il coroner Thomas Noguchi della contea di Los Angeles dichiarò la sua morte un incidente per annegamento e ipotermia: secondo il coroner, Wood aveva bevuto e potrebbe essere scivolata mentre cercava di salire a bordo del gommone. Due testimoni che si trovavano su una barca vicina hanno affermato di aver sentito una donna gridare aiuto durante la notte.[3] La sorella tuttavia espresse dei dubbi sulla ricostruzione, dato che Wood non sapeva nuotare e aveva affermato pubblicamente di essere terrorizzata dall'acqua, pur avendo per ragioni di copione dovuto più volte nuotare,[4][5][6] e quindi, secondo lei, non avrebbe mai lasciato lo yacht da sola con il tender.
Nuove informazioni sulle circostanze della morte dell'attrice portarono alla riapertura del caso nel novembre 2011, quando il comandante Davern dichiarò di aver mentito alla polizia durante l'inchiesta iniziale, e che Wood e Wagner avevano avuto una discussione quella sera, cosa che Wagner all'epoca negò. Sosteneva che Wood avesse flirtato con Walken, che Wagner fosse geloso e infuriato e che, dopo la scomparsa della donna, Wagner avesse impedito a Davern di accendere le luci di ricerca e di informare le autorità.[7] Tuttavia, non essendo emerso nulla di rilevante, l'istruttoria venne chiusa nel gennaio dell'anno seguente[8].
Nel gennaio 2013 le indagini furono riaperte[9]; una nuova autopsia condotta sul corpo dell'attrice rivelò infatti la presenza di lividi sulle braccia, sui polsi e sul collo, tali da far supporre un'aggressione, ma la conclusione fu che «l'esame condotto non è in grado di escludere delle cause non accidentali che avrebbero procurato tali lesioni; dato che ci sono ancora troppe questioni irrisolte, le ragioni del decesso restano indeterminate»[10]. Nel febbraio 2018 Wagner è stato citato come personaggio coinvolto nelle indagini sulla morte di Wood, ma ha negato qualsiasi coinvolgimento.
Nel 2020, un medico ed ex stagista di Noguchi al momento della morte di Wood ha dichiarato che i lividi erano sostanziali e adatti a qualcuno gettato da una barca. Ha affermato di aver fatto quelle osservazioni a Noguchi.[11]
Il 28 dicembre 1957 Wood sposò l'attore Robert Wagner, da cui divorziò il 1º aprile 1962, senza aver avuto figli. In seguito, sposò lo scrittore e produttore Richard Gregson: da questo matrimonio, che durò dal 1969 al 1972, nacque nel 1970 la sua prima figlia, Natasha. Dopo il divorzio da Gregson, il 16 luglio 1972 Natalie Wood si risposò con Wagner, da cui ebbe questa volta una figlia, Courtney, nata nel 1974. Il terzo matrimonio durò fino alla tragica morte dell'attrice, avvenuta nel 1981.
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