Carlotta Natoli è una veterana del piccolo schermo. Particolarmente riuscita nel ruolo di una psicologa che gira in una Roma violenta assieme al compagno di una vita, il poliziotto interpretato da Giorgio Tirabassi nel telefilm Distretto di polizia, rimarrà travolta dalla stessa città che ha covato il loro amore e che, però, darà a lei la morte.
Figlia dell'attore e regista italiano Piero Natoli, debutta per la prima volta nel cinema con il film Con... fusione (1980) diretta proprio dal padre. A questa pellicola seguiranno poi altri film come Chi c'è c'è (1987) e Ladri di cinema (1994). Ma non solo questi titoli nella sua carriera: nel 1980 viene diretta da Marco Bellocchio in Salto nel vuoto con Michel Piccoli, poi appare in: Le amiche del cuore (1992), Il tuffo (1993), Miracolo italiano (1994), Carogne - Ciro and Me (1995), L'estate di Bobby Charlton (1995) e Un inverno freddo freddo (1996).
La Natoli comincia anche a lavorare in televisione, principalmente fiction come Compagni di branco (1996) e Una farfalla nel cuore (1999) o serie tv come Primo cittadino (1998). E dopo La vera madre (1999), entra nel ruolo di Angela Rivalta nel telefilm poliziesco Distretto di polizia (2000), dove interpreterà una psicologa che purtroppo alla fine della seconda serie morirà provocando un vero e proprio shock negli ascoltatori, tanto è vero che gli sceneggiatori la faranno ritornare come fantasma in alcuni episodi della terza stagione.
Successivamente, prende parte a Caruso, zero in condotta (2001), La verità, vi prego, sull'amore (2001) e le opere televisive: Gli insoliti ignoti (2003), Cuore contro cuore (2004), Sex traffic (2004) di David Yates e L'aviatore (2008).
Sposata con il collega Thomas Trabacchi, ha lavorato con lui nella fiction Il caso Enzo Tortora - Dove eravamo rimasti? e nei film Amori che non sanno stare al mondo (2017), Troppa grazia (2018) e Quattordici giorni (2021).