Наталья Павловна Колпакова родилась 5/18 апреля 1902 в дворянской семье. Ее отец, Павел Петрович (ум. 1939) был инженером-архитектором.
Н.П. поступила в Демидовскую женскую гимназию (позднее — средняя школа №47) и закончила ее в 1919. Среди ее учителей были Н. Гумилев, М. Лозинский и крупнейший ученый-востоковед академик В.М. Алексеев, под руководством которого Н. П. переводила стихи средневековых китайских поэтов. Летом того же года поступила в Литературную студию при издательстве «Всемирная литература», которую окончила с дипломом первой степени. В 1919–1921 была вольнослушательницей Петроградского государственного университета по факультету общественных наук.
Осенью 1921 г. поступила на Высшие курсы искусствознания Государственного Института Истории искусств (ГИИИ), которые окончила в декабре 1924 года со званием научного сотрудника 1 разряда (аналог совр. кандидата наук).
В ГИИИ Н.П. заинтересовалась курсом по народному творчеству, который вела В. П. Адрианова-Перетц, с которой впоследствии ее соединяла научная и личная дружба.
Весной 1926 г. Н.П. Колпакова была зачислена в аспирантуру Института, где она занялась поэтикой А.А. Фета.
В 1926 в ГИИИ была создана Крестьянская секция, в задачи которой входило изучение народного искусства. Для сбора материала решено было отправить в Заонежье специальную экспедицию. Руководителем ее был назначен известный специалист в области древнерусского зодчества К.К. Романов. Эта экспедиция коренным образом изменила судьбу Н. П., которая с тех пор посвятила себя изучению русского фольклора. Вместе с A.M. Астаховой, И.В. Карнауховой (Отдел истории и теории словесных искусств ГИИИ) и А.И. Никифоровым (Толстовский музей), Н. П. собирала фольклор заонежан. Обязанности исследователей распределялись так: A.M. Астахова записывала былины; И.В. Карнаухова и А.И. Никифоров — сказки; а Н.П. Колпакова — песни. Цикл этнографических очерков Н.П. о Заонежье был опубликован в июле-октябре 1925 в петрозаводской газете «Красная Карелия». После Заонежья последовали другие летние поездки: в 1927 — на Пинегу; в 1928 — Мезень; в 1929 — Печору.
Вскоре после заонежской экспедиции появляются и первые фольклористические статьи Н.П. — «Песня на Шуньгском полуострове» и «Свадебный обряд на р. Пинеге», опубликованные в сборниках ГИИИ.
К весне 1929 Н.П. закончила аспирантуру и 27.03.1929 защитила работу «Современная крестьянская песня на реках Пинеге и Мезени» (10 п.л), основанную главным образом на собственных полевых материалах. После защиты она получила звание научного сотрудника 1-го разряда и была оставлена в институте для дальнейшей научной работы.
Однако уже через год, в 1930, при перепрофилировании ГИИИ, исследовательница потеряла работу. В течение девяти лет (1930–1939) Н.П. Колпакова не работала в научных учреждениях и была библиотекарем в нескольких средних школах Володарского района Ленинграда.
Тем не менее, при каждой представлявшейся возможности Н.П. выезжала в экспедиции. Так, в 1932–1933 вместе с фольклористами Института по изучению народов СССР Н.П. Колпакова побывала в Беломорье. В 1937 с участием Н.П. состоялась экспедиция Отдела фольклора Института литературы АН СССР в Вологодскую область. По экспедиционным впечатлениям ею были написаны книги очерков «Сквозь лесную проседь» (1935) и «Терский берег» (1937) и др. работы. Осенью 1938 Отдел фольклора направил Н.П. в Башкирию для руководства научной фольклорной экспедицией, организованной Совнаркомом Башкирской АССР, где были записаны русские песни, сказы о пугачевщине и заводской фольклор.
Научная деятельность Н.П. Колпаковой в 1930-е гг. была весьма плодотворной, однако, она так и не получила ученой степени. Успешная защита ее работы «Современная крестьянская песня на реках Пинеге и Мезени» не была принята в расчет.
В январе 1939 Н.П. Колпакова была приглашена М.К. Азадовским на должность заведующей Кабинетом народного творчества при филологическом факультете Ленинградского университета. Здесь исследовательница приступила к работе над кандидатской диссертацией «Свадебный обряд Русского Севера». Н.П. Колпакова, пользуясь сравнительно-историческим методом, восстанавливала древнейший пласт русской свадебной обрядности на основании севернорусского материала. На защите одним из научных оппонентов был выдающийся фольклорист и этнограф Д.К. Зеленин, высоко отметивший данную работу. «На фоне количественно очень обильной, — писал Д.К. Зеленин, — но качественно бедной и слабой литературы диссертация тов. Колпаковой выдается как крупное, трезвое и удачное <...> исследование по одному из важнейших вопросов всего свадебного комплекса у русских» (СПбФААН, Ф. 849. оп. 1. № 791. Л. 10).
Во время блокады Ленинграда Н.П. Колпакова оставалась в городе. До эвакуации университета в феврале 1942 она работала на филологическом факультете. Затем — в библиотеке Володарского райкома КПСС и Ленинградском отделении Союза советских писателей. В 1943 г. ее приняли в члены Союза, и она выпустила сборник «Частушки Ленинградского фронта». За работу в блокадном городе Н.П. Колпакова была награждена медалями «За оборону Ленинграда» и «За доблестный труд в Великой Отечественной войне».
В октябре 1943 Н.П. Колпакова получила предложение читать курс устного народного творчества в Педагогическом институте им. А.И. Герцена, где и преподавала до 1948. После возвращения Ленинградского университета из эвакуации в течение 1945–1947 она вела на филфаке практические занятия по фольклору. В апреле 1946 Н.П. Колпакова была приглашена на должность старшего научного сотрудника во вновь открытый Кабинет народного творчества в Государственный научно-исследовательский институт театра, музыки и кинематографии (бывший ГИИИ). Она принимала участие в экспедициях, организованных ГИИИ в Ленинградскую область, на Урал и в Поволжье. Часть этих материалов вошла в сборники «Песни Поволжья» (1959) и «Народные песни Ленинградской области» (1958), составленные другом Н.П., композитором-фольклористом Ф. А. Рубцовым. Рубцов создал несколько романсов на тексты стихов Н.П.
01.11.1949 Н.П. получает диплом кандидата филологических наук на основании решения Учёного Совета ЛГУ от 21.11.1941. С 1950 она работает старшим научным сотрудником в кабинете фольклора ГИИИ, вплоть до его ликвидации в 1952. Почти целый год, до лета 1953 Н.П. Колпакова вынуждена была существовать на случайные заработки от выступлений по линии Бюро пропаганды Ленинградского отделения Союза советских писателей. Наконец 1 августа 1953. она была принята на работу в Сектор устного народнопоэтического творчества Института русской литературы (Пушкинский Дом) АН СССР
Войдя в штат Пушкинского Дома, Н.П. Колпакова в 1953–1954 возглавила экспедиции в Поволжье; в 1955 и 1956 г. состоялись поездки на Печору, а в 1958 — на Мезень. Результатами этих экспедиций стали фундаментальные сводные тома: «Русские народные песни Поволжья. Вып. 1. Песни, записанные в Куйбышевской области» (М.; Л., 1959); «Былины Печоры и Зимнего берега (Новые записи)» (М.; Л., 1961), «Песни Печоры» (М.; Л., 1963) и «Песенный фольклор Мезени» (Л., 1967). Во многом эти издания стали возможными, благодаря материалам, собранным Н.П. Колпаковой.
В 1963 г. вышла в свет монография Н.П. Колпаковой «Русская народная бытовая песня», где были высказаны новаторские идеи о жанровой классификации. Песенный жанр, по мнению Н.П. определяется его бытовой функцией, содержанием и общностью художественных средств. 19 декабря 1963 состоялась защита докторской диссертации Н.П. (оппоненты — В.П. Адрианова-Перетц, А.П. Евгеньева, Н.А. Мещерский). Большинство из идей, высказанных в книге Н.П. Колпаковой, остаются актуальными и в наше время.
Аннотированная картотека собранных Наталией Павловной песен насчитывает около трёх тысяч текстов (а общий каталог, составленный ею самой, охватывает сорок тысяч текстов). Большую познавательную ценность представляют научно-популярные книги Наталии Павловны, предназначенные для детей, юношества и широких кругов читателей.
16 февраля 1967 Н.П. Колпакова вышла на пенсию и занялась литературной деятельностью. Судьба отмерила ей долгую и плодотворную жизнь. В 1973 в серии «Литературные памятники» вышел в свет сборник «Лирика русской свадьбы». В 1975 — книга «У золотых родников: Записки фольклориста»; в 1977 — «Песни и люди».
Е.М. Белецкая оставила воспоминания о своем общении с Н.П. Колпаковой:
«Н.П. показывала мне свои рисунки, которые сохранились в дневнике одного из южных путешествий; нарисованные черной тушью, обычным пером, они были очень точными — ничего лишнего! — и очень выразительными. Были и настоящие картины (Н.П, неплохо рисовала: наверное, сказывался наследственный талант). А ее рассказы об экспедициях представляли своеобразный театр одного актера: впечатления об исполнителях пересыпались северными жемчужинками — воспроизведенными со всеми лексическими и фонетическими особенностями северного говора сказками, прибаутками, потешками.
Были и детские книги — на японском, чешском и других языках народов мира (в переводах более чем на двадцать иностранных языков). Зарубежные издательства присылали не только книги, но и гонорары за них, в отличие от некоторых русских издателей. Но была и «Наташкина книжка» — в единственном экземпляре, написанная для племянницы. Рассортировав картинки с художественных конвертов по тематике (времена года, животные, праздники и т.д.), Н.П. наклеивала их на листы альбомной бумаги и писала к каждой стихи собственного сочинения. Потом все это собиралось, и получалась книжка. Известная фольклористка не считала зазорным подготовить фольклорный текст для диафильмов, в основном по сказкам. Вышедшие большими тиражами, с рисунками известных художников, они радовали не одно поколение детей».
Н.П. Колпакова скончалась 8 июня 1994 года.