Ihr Filmdebüt gab Dormer 2005 in Casanova als Victoria an der Seite von Heath Ledger, Jeremy Irons und Sienna Miller. Ihre Rolle war am Anfang nur als kleine Nebenrolle gedacht, doch sie beeindruckte den Regisseur Lasse Hallström so sehr, dass er ihre Rolle erweiterte und mehr komische Teile einbrachte, als er erkannt hatte, wie gut sie mit Humor umgehen konnte. In der FernsehserieDie Tudors übernahm sie neben Jonathan Rhys Meyers von 2007 bis 2008 in 20 Folgen die Rolle der Anne Boleyn. Erneut erscheint sie in der letzten Folge der vierten Staffel der Serie als der Geist von Anne Boleyn. Nach der zweiten Staffel der Tudors arbeitete sie oft als Model und war in zahlreichen Shows zu sehen. Von 2012 bis 2016 spielte sie in der HBO-Serie Game of Thrones die Rolle der Margaery Tyrell. In den Jahren 2014 und 2015 übernahm sie in der zweiteiligen Kinoverfilmung des dritten Teils der Tribute-von-Panem-Trilogie die Rolle der Cressida.
Privates
Natalie Dormer war von 2007 bis 2018 mit Anthony Byrne liiert, den sie bei den Dreharbeiten zu Die Tudors kennengelernt hatte.[1]
Den London-Marathon 2016 lief sie in 3:51 Stunden.[2]
Seit 2018 ist sie mit David Oakes liiert. Im Januar 2021 wurde ihre gemeinsame Tochter geboren.[3]