Родилась 8 апреля 1986 года в городе Смоленск.
Окончила «Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта» по специальности «Физическая культура и спорт».
С 2003-го по 2017 год Наталья Сергеевна трудилась в «Центре спортивной подготовки» сборных команд России.
С 2013-го по 2016 год – помощник Генерального секретаря Общероссийского союза общественных объединений «Олимпийский комитет России».
Пятикратная олимпийская чемпионка по синхронному плаванью, 19-кратная чемпионка мира, 12-кратная чемпионка Европы, абсолютная чемпионка Европы 2010 года. Заслуженный мастер спорта.
Награждена орденом «За заслуги перед Отечеством» IV степени за большой вклад в развитие физической культуры и спорта, высокие спортивные достижения на Играх XXX Олимпиады 2012 года в Лондоне, орденом Почёта за высокие спортивные достижения на Играх XXXI Олимпиады 2016 года в городе Рио-де-Жанейро, орденом Дружбы за большой вклад в развитие физической культуры и спорта, высокие спортивные достижения на Играх XXIX Олимпиады 2008 года в Пекине.
За высокие спортивные достижения и за личный вклад в развитие физической культуры и спорта награждена медалью «За заслуги перед городом Калининградом».
В октябре 2017 года распоряжением Губернатора Калининградской области Ищенко Наталья Сергеевна назначена заместителем Председателя Правительства Калининградской области – министром спорта Калининградской области.
Звание «Почетный гражданин города Калининграда» присвоено решением городского Совета депутатов Калининграда № 158 от 04.07.2018 года.