Родилась 4 ноября 1971 года.

В 1993 году окончила Барнаульский государственный педагогический институт по специальности «учитель физики, информатики и ВТ».

Трудовую деятельность начала в Кулундинском учебно-производственном пункте. С 1994 по 2017 год работала в Кулундинской средней общеобразовательной школе №3 учителем физики. С 2003 года является руководителем районного методического объединения учителей физики, входит в состав краевой методической комиссии. В 2012 году избрана депутатом Собрания депутатов Кулундинского района, где стала заместителем председателя комиссии по социальным вопросам. С сентября 2017 года - учитель физики в Кулундинской средней общеобразовательной школе №1. С 2018 года работает редактором районной газеты «Новости Кулунды». 27 июля 2020 года Наталья Цепенко назначена директором Кулундинской средней общеобразовательной школы №1.

В 2014 году стала победителем Всероссийского конкурса лучших учителей в рамках приоритетного национального проекта «Образование». В 2015 году присвоено почетное звание «Почетный работник общего образования РФ». Дважды награждена Почетными грамотами Министерства образования и науки РФ. В 2016 г. стала лауреатом Х краевого Фестиваля школ-лидеров «Новая школа Алтая - новое качество образования-2016» в номинации «Инновации в информационной образовательной среде».

Не замужем. Двое детей: сын и дочь.