Народилася 18 лютого 1975 року у м. Донецьк. В 2003 р. закінчила Донецьке училище культури (заочне відділення), а в 2010 р. — Харківську державну академію культури за спеціальністю «Книгознавство, бібліотекознавство і бібліографія».
Професійний шлях розпочала 1994 р. на посаді бібліотекаря Донецької ОУНБ, з 2003 р. працювала провідним бібліотекарем відділу зберігання основного фонду, з 2005 р. ― завідувачкою сектору організації дозвілля, наочної інформації і зв’язків з громадськістю, 2010 р. переведена на посаду заступника директора (з 2012 ― заступник генерального директора) з обслуговування користувачів та автоматизації бібліотечних процесів.
Після початку воєнних дій на Донбасі переїхала до Харкова.
З листопада 2017 р. працює у ХДНБ. Досліджувала історію книгозбірні, результати наукових розвідок висвітлені на сторінках фахової періодики, представлені в регіональному корпоративному електронному ресурсі «Бібліотечна енциклопедія Харківщини». Брала активну участь у розробці та реалізації цифрового проєкту «Історія бібліотеки».
З 4 січня 2022 року обіймає посаду директора ХДНБ.
Очоливши книгозбірню в надскладний як для закладу, так і для всієї країни час, Н. В. Петренко проявила себе як висококваліфікований і компетентний фахівець, відповідальний, ініціативний та креативний менеджер. Завдяки її лідерським якостям та згуртованості колективу книгозбірня продовжує виконувати статутні завдання, функціонує як провідний всеукраїнський науково-дослідний та науково-методичний центр з бібліотекознавства, бібліографознавства, документознавства та книгознавства. Директор доклала значних зусиль для ліквідації пошкоджень, яких зазнав бібліотечний комплекс унаслідок ракетних обстрілів російськими військами центральної частини Харкова, а також відновлення та забезпечення функціонування закладу, убезпечення та збереження фондів. Завдяки її ініціативності та комунікабельності налагоджено партнерські стосунки та отримано благодійну допомогу від українських і міжнародних громадських організацій України та світу: наукових установ та закладів культури Австрії, Німеччини, Польщі, Франції; громадських організацій Museum for Change, ALIPH Foundation, Спілки побратимства Харків−Нюрнберг та благодійного фонду громади Харкова «Толока», House of Europe, Goethe-Institut, Saving Ukrainian Cultural Heritage Online, Consortium of European Research Libraries та ін. За 2022–2024 рр. отримано грантової підтримки на суму понад 4 млн 700 тис грн. Проведено протиаварійні невідкладні роботи з облаштування тимчасового накриття над покрівлею даху головного корпусу та світлового ліхтаря, що убезпечило будівлю від протікань та дозволило створити сприятливі умови для зберігання документів Державного бібліотечного та Національного архівного фондів України.
Очолюючи державну наукову бібліотеку, Наталя Петренко забезпечує участь фахівців як експертів та активних учасників у реалізації проєктів національної програми «Розвиток систем культури та спорту» відповідно до Плану відновлення України та Програми трансформації культури під час війни до 2033 року «Україна 2033. Трансформація за 10 років», ініційованої МКІП, Державної цільової соціальної програми національно-патріотичного виховання на період до 2025 року, Національної стратегії зі створення безбар’єрного простору в Україні на період до 2030 року та Плану заходів на 2023–2024 роки з реалізації Національної стратегії зі створення безбар’єрного простору в Україні на період до 2030 року, інших законодавчих актів та державних цільових проєктів і програм.
Як очільниця однієї з найбільших книгозбірень України та Європи (понад 7 млн документів) Наталя Валентинівна входить до складу Ради з питань розвитку бібліотечної справи при Міністерстві культури та інформаційної політики України (МКІП), робочої групи з розробки концепції проєкту Національної електронної бібліотеки України, Національної системи централізованої каталогізації, з розробки професійного стандарту «Бібліотекар» при Держмистецтв та ін.
На займаній посаді директор сприяє утвердженню та розвитку бібліотеки як цифрового, інформаційного та соціокультурного хабу, фахівці якого високопрофесійно документують воєнні злочини проти людяності та об’єктів культурної спадщини, скоєних російською армією, беруть участь у реалізації політики національної пам’яті.
Співробітники книгозбірні очолюють всеукраїнський проєкт «Архівування документів про війну» (з липня 2023 р.), втілюють історико-меморіальні грантові проєкти: мультиплатформний цифровий актив «Бібліотеки Харківщини в умовах воєнного стану», «Формування цифрового архіву документів (публікацій, фото, відео) про російсько-українську війну» (УКФ, грантова програма «Відновлення культурно-мистецької діяльності»), «Українські ірмолої як складова світової/національної спадщини (електронна колекція ХДНБ ім. В. Г. Короленка)» та ін.
Продовжуючи кращі історичні традиції Харківської громадської бібліотеки з просвіти, популяризації книги і читання та на виклики воєнного часу, у ХДНБ за ініціативою директора для харків’ян було впроваджено послугу безоплатного міського абонемента.
Війна не зупинила проведення знакових та масштабних заходів, затребуваних професійною спільнотою бібліотекарів, музейників, архівістів, викладачів, видавців, краєзнавців, науковців, студентів в Україні та поза її межами: щорічної науково-практичної конференції «Короленківські читання», актуалізувавши тему «Бібліотеки, архіви, музеї в умовах війни»; Фестивалю науки, Школи молодого винахідника, конкурсу «Молодий новатор Харківщини», науково-практичної конференції «Винахідники та науковці: разом до перемоги», бібліографічних студій, Школи бібліотечного журналіста, Аерокосмічних читань, клубів з розвитку навичок кібербезпеки, медійної грамотності та цифрової освіти (ХДНБ ― хаб цифрової освіти, партнер Мінцифри), майстер-класів з використання штучного інтелекту у професійній діяльності та навчанні, інтелектуальних студентських батлів, Національного тижня читання тощо.
Оперативно реагуючи на виклики часу, керівник бібліотеки організувала роботу фахівців за надважливими у воєнний час напрямами для підтримки ментального та психічного здоров’я колег та відвідувачів, зокрема в дистанційному форматі: реалізації всеукраїнської програми ментального здоров’я «Ти як?» (ініційованої першою леді України Оленою Зеленською), до місяця обізнаності про ментальне здоров’я, арттерапевтичних тренінгів, заходів з особистісного розвитку, розмовних клубів української, англійської та інших мов, співпрацю з пансіонатами для людей похилого віку та територіальними центрами соціального обслуговування.
Наталю Валентинівну знають і поважають освітяни, науковці, представники творчої інтелігенції Харкова й України, а також США, Австрії, Бельгії, Німеччини, Польщі, Франції, Чехії, Швейцарії. Вона є рупором міста-героя Харкова, розповідаючи про життя книгозбірні та Харківщини на всесвітніх форумах професійної спільноти: щорічній конференції Американської бібліотечної асоціації (ALA), щорічному симпозіумі на підтримку українських бібліотек Школи інформації університету Сан-Хосе (SJSU iSchool, штат Каліфорнія); міських, міжрегіональних, всеукраїнських та міжнародних наукових заходах; є голосом професійної спільноти України у вітчизняних та зарубіжних ЗМІ. Має низку публікацій у фахових часописах та збірниках наукових праць.
Нагороджена Почесними грамотами та подяками Міністерства культури України, Американських рад з міжнародної освіти (ACTR/ACCELS, American Councils), Донецької обласної державної адміністрації, обласної та міської рад, обласної організації професійної спілки працівників культури, грамотами Донецької обласної універсальної наукової бібліотеки (ОУНБ) та ХДНБ.