В 1965 году Варлей окончила Училище циркового и эстрадного искусства и пришла в труппу Московского цирка на Цветном бульваре. Работала эквилибристкой. Какое-то время выступала в одном номере со знаменитым клоуном Леонидом Енгибаровым: танцевала на трапеции с кастаньетами, сидя на стульчике, играла на концертино. Именно благодаря Енгибарову Наташа попала в кино. Произошло это при следующих обстоятельствах.

Енгибаров уже несколько лет снимался в кино и имел множество друзей в киношной среде. Одним из его приятелей был режиссер с Одесской киностудии Георгий Юнгвальд-Хилькевич. В один из дней начала 1966 года он пришел на очередное представление Московского цирка, который гастролировал в Одессе, чтобы встретиться с другом. Но, увидев там Наташу, настолько был потрясен ее внешностью, что на следующий день явился к ней в гостиницу и пригласил сниматься в своем фильме. Причем его симпатия оказалась такой сильной, что через пару-тройку дней он снял утвержденную на главную роль актрису Марэ Хиластэ и заменил ее Варлей. Однако худсовет это дело «завернул», в итоге главную роль сыграла очень популярная в те годы актриса Раиса Недашковская, а Варлей досталась эпизодическая роль медсестры. Но вскоре судьба с лихвой вознаградила Наталью: именно на "Формуле радуги" ее приметила ассистентка Гайдая. Когда Варлей вернулась из Одессы в Москву, дома ее уже ждала телеграмма с «Мосфильма» с просьбой явиться на пробы, которые состоялись 13 апреля 1966 года в павильоне № 9, ассистировал на них юной актрисе Герман Качин. Через несколько дней худсовет объединения, просмотрев эту пробу, утвердил Наталью Варлей на роль Нины.