Heute ist ihre Heimatstadt als Nischnij Nowgorod bekannt. Vodianova wuchs in ärmlichen Verhältnissen bei ihrer Mutter auf, ihr Vater verließ die Familie schon vor ihrer Geburt. Die alleinerziehende Mutter arbeitete als Putzhilfe und in einer Fabrik, später verkauften Mutter und Tochter jahrelang Obst auf den Straßen der Stadt. Vodianovas Mutter heiratete und brachte die schwerbehinderte, mit Cerebralparese und Autismus diagnostizierte Oksana zur Welt. Die Ehe scheiterte bald. Wenige Jahre später heiratete Vodianovas Mutter erneut. Da ihr zweiter Stiefvater trank, verließ die junge Natalia schon mit 15 Jahren ihr Elternhaus und zog mit einer Schulfreundin zusammen. Die beiden Mädchen verdienten ihr eigenes Geld mit einem Obststand.

Mit 15 Jahren begann Vodianova als Model zu arbeiten und ging schließlich als 17-Jährige nach Paris, wo sie von einer namhaften Agentur unter Vertrag genommen wurde. Mit 19 Jahren traf sie dort bei einem Dinner den 13 Jahre älteren britischen Adligen Justin Portman. Noch im gleichen Jahr heiratete das Paar und feierte die Geburt ihres ersten gemeinsamen Sohnes Lucas Alexander. Tochter Neva kam 2006 zur Welt und mit dem 2007 geborenen Viktor war die Familie komplett. 2011 gaben Vodianova und Portman ihre Trennung bekannt.

Inzwischen lebt das weltweit erfolgreiche Model mit dem französischen Unternehmer Antoine Arnault zusammen. 2014 wurde mit Maxim der erste gemeinsame Sohn des Paares geboren. Das Topmodel hat im Luxusleben seine Wurzeln nicht vergessen – 2006 gründete Vodianova die ‘Naked Heart Foundation‘, die das Leben der Kinder in russischen Städten verbessern will. Auch für andere wohltätige Zwecke hat sie sich wiederholt eingesetzt.