Наталью Алексеевну по рождению и детскому воспитанию с полным правом можно назвать царевной, а по взрослому мировосприятию и привычкам — принцессой европеизированного петровского двора. Младшая сестра Петра I родилась 22 августа 1673 года. На радостях, по случаю ее крещения, от имени отца и матери, царя Алексея Михайловича и царицы Натальи Кирилловны, были изготовлены два серебряных кубка с крышками. От них же на подарки припасено два сорока соболей и десять аршин темно-лазоревой шелковой материи. Выделил от себя подарки и царевич Федор Алексеевич: сорок соболей и пять аршин шелковой ткани. Все подарки, кроме одного сорока соболей, доставшегося совершившему обряд крещения архимандриту Чудова монастыря Варнаве, предназначались малютке Наталье. Кроме того, участвовавшим в таинстве двум священникам и трем дьяконам выдано двадцать три рубля. В «мамки» к Наталье определили княгиню Прасковью Ивановну Ромодановскую. Кормилицей малютки назначили некую Гликерью. Мать, царица Наталья, сразу подарила ей постельные принадлежности: обшитый зеленым сукном войлок и пуховую подушку из лазоревой хлопчатобумажной ткани, а также «летник» из желтой «с травами» шелковой ткани на бобровом пуху. Тогда же знаменитый придворный живописец Симон Ушаков написал на липовой доске небольшой портрет девочки размерами сорок пять на тринадцать сантиметров.
Страшный для царского семейства 1682 год царевна Наталья встретила девятилетней девочкой. В майские дни стрелецкой вольницы она находилась в своих апартаментах и, к счастью, не видела той крови, которая лилась на глазах не только взрослых, но и ее десятилетнего брата, тогда уже царя Петра I. Но, как писал Андрей Артамонович Матвеев, в комнатах Натальи прятались от расправы видные деятели нарышкинской партии. Неизвестный польский мемуарист особо отметил, что девятилетняя царевна «отличалась замечательной красотой». Она «по уму и вежливости… вся в мать», то есть в царицу Наталью Кирилловну.
После прихода к власти царевны Софьи Алексеевны царица Наталья с детьми предпочитала проживать в селе Преображенском, но бывала наездами и в кремлевских хоромах. Наталья была очень дружна с братом-царем Петром, и эти теплые отношения между детьми сохранились и во взрослом возрасте. В 80-е годы ремонтировались кремлевские хоромы матери-царицы и царевны Натальи: проводилась перепланировка помещений и увеличено количество окон. В 1685 году их комнаты украшены живописью на сюжеты евангельских и апостольских притч, а в 1687–1688 годах одна из комнат и матери, и дочери была обита «золотными» кожами. В это время у Натальи появились два «поставца» около метра высотой, «вислая» полка с дверцами, «спальная» скамья, аналой с дверцами, три стола (дубовый, небольшой липовый и с каменной доской «на польский образец») и дубовый ящик. О первой кормилице Натальи — Гликерье — позже не упоминается. В 1684 году в кормилицах уже значилась княгиня Лукерья Гавриловна Ухтомская. Тогда ей был подарен красный атлас. Через десять лет, в 1694 году, княгиня Ухтомская была пожалована в боярыни и осталась при царевне Наталье Алексеевне.
Царь Петр подрастал, занимался «марсовыми» потехами и все больший интерес проявлял к европейскому быту и культуре. Его все чаше можно было видеть в Новой Немецкой слободе, где у молодого царя появились друзья. Царевна Наталья Алексеевна разделяла интересы брата и нередко вместе с ним посещала слободу. Когда Петр всерьез увлекся идеей создания отечественного флота и решил ее опробовать на Плещеевом озере, царевна Наталья навестила брата в Переславле-Залесском. 1689 год принес Петру I победу над царевной Софьей. Наталья Алексеевна, вступившая в пору совершеннолетия, всячески поддерживала начинания брата. Девяностые годы как бы явились периодом осмысления будущего курса и стали подготовительным этапом знаменитых петровских реформ первой четверти XVIII века.