Nata a Stalingrado, in Unione Sovietica, Natasha è la minore dei quattro figli di Alian Romanoff, imparentato con la dinastia imperiale russa. Nell'autunno del 1942, durante la Battaglia di Stalingrado, Natasha e la sua famiglia subiscono un'aggressione da parte delle truppe naziste. Per salvare la piccola, la madre di Natasha la affida a un giovane soldato giunto in loro soccorso: Ivan Petrovich Bezukhov, che da quel momento la cresce come fosse sua figlia. Ivan, membro della Stanza Rossa, sottopone Natasha al "Programma Vedova Nera", che comporta un indottrinamento e un addestramento spionistico. Convinta di studiare danza classica al Teatro Bol'šoj, Natasha viene sottoposta a intensivi esercizi ginnico-marziali e al Trattamento Kudrin, ossia l'assunzione di un siero volto a conferire alle giovani cavie capacità fisiche sovrumane e invecchiamento rallentato. In quanto miglior cadetta del Programma Vedova Nera, Natasha viene attivata come agente segreto, divenendo - durante la guerra fredda - una figura leggendaria e temuta in tutto il mondo per abilità e spietatezza.