Natalia Levi nasce a Palermo da Giuseppe Levi, illustre scienziato ebreo di origine triestina, e Lidia Tanzi, milanese e non-ebrea. Il padre è professore universitario antifascista e sia il padre che i tre fratelli saranno imprigionati e processati con l'accusa di antifascismo. Natalia trascorre l'infanzia e l'adolescenza a Torino, in stato di emarginazione e trova presto conforto nella scrittura. Esordisce nel 1933 con il suo primo racconto, I bambini, pubblicato dalla rivista "Solaria" e nel 1938 sposa Leone Ginzburg col cui cognome firmerà in seguito tutte le sue opere. Dalla loro unione nacquero tre figli: Carlo che diverrà un noto storico e saggista, Andrea  e Alessandra. In quegli anni stringe legami con i maggiori rappresentanti dell'antifascismo torinese e in particolare con gli intellettuali della casa editrice Einaudi della quale il marito, docente universitario di letteratura russa, era collaboratore dal 1933.Nel 1940 segue il marito, che era stato mandato al confino per motivi politici e razziali, a Pizzoli in Abruzzo dove rimane fino al 1943.Nel 1942 scrive e pubblica, con lo pseudonimo di Alessandra Tornimparte, il suo primo romanzo intitolato La strada che va in città che verrà ristampato nel 1945 sotto il nome dell'autrice.Nel febbraio del 1944, in seguito alla morte del marito ucciso nel carcere di Regina Coeli, Natalia ritorna a Torino e al termine della Seconda guerra mondiale comincia a lavorare per la casa editrice Einaudi.Nel 1947 esce il suo secondo romanzo È stato così che vince il premio letterario "Tempo".Nel 1950 sposa l'anglista Gabriele Baldini, docente di letteratura inglese e direttore dell’Istituto Italiano di Cultura a Londra, dal quale avrà due figli Susanna e Antonio  entrambi con handicap. Inizia per Natalia un periodo ricco per la produzione letteraria che si rivela prevalentemente orientata sui temi della memoria e dell'indagine psicologica. Nel 1952 pubblica Tutti i nostri ieri; nel 1957 il volume di racconti lunghi, Valentino, che vince il premio Viareggio e il romanzo Sagittario; nel 1961 Le voci della sera che, insieme al romanzo d'esordio, verrà successivamente raccolto nel 1964 nel volume Cinque romanzi brevi.Nel 1962 esce la raccolta di saggi Le piccole virtù e nel 1963 vince il premio Strega con Lessico famigliare che viene accolto da un forte consenso di critica e di pubblico. Nel 1969 muore il marito e la scrittrice si dedica sempre più alla narrativa. Negli anni settanta fanno seguito i volumi Mai devi domandarmi del 1970 e Vita immaginaria del 1974. Nella successiva produzione la scrittrice, che si era rivelata anche fine traduttrice con La strada di Swann di Proust, ripropone in modo più approfondito i temi del microcosmo familiare con il romanzo Caro Michele del 1973, il racconto Famiglia del 1977, il romanzo epistolare La città e la casa del 1984 oltre La famiglia Manzoni, nel 1983, visto in una prospettiva saggistica.La Ginzburg si rivela inoltre autrice di commedie tra le quali, Ti ho sposato per allegria del 1965, e Paese di mare nel 1972.Nel 1983 viene eletta nelle liste del Partito Comunista Italiano al Parlamento.Nel 1988 scrive un articolo, diventato ormai famoso, sull'Unità dal titolo: Non togliete quel crocifisso^[1] difendendo la presenza del simbolo religioso nelle scuole e opponendosi alle contestazioni dilaganti in quegli anni. Muore a Roma tra il 6 e il 7 ottobre 1991.