Наталия Лукьянова в 1994 году окончила исторический факультет Томского государственного университета по специальности «Историк, преподаватель общественно-политических дисциплин». В 1995 – 1999 годах работала учителем истории, обществоведения и права в лицее культуры Востока города Томска. В 2001 году окончила аспирантуру ТПУ, а в 2009 – магистратуру по специализации «Менеджмент в научно-образовательной сфере».
Начала трудовой путь в ТПУ с 2001 года с должности ассистента на кафедре социологии, психологии и права ТПУ. В 2002 – 2003 годах – старший преподаватель, в 2003 – 2011 годах – доцент, с февраля 2011 года – профессор кафедры социологии, психологии и права ТПУ. В 2011 – 2015 годах – заведующая кафедрой социологии, психологии и права Института социально-гуманитарных технологий ТПУ. В 2015 – 2018 годах – заведующая кафедрой социальных коммуникаций Института социально-гуманитарных технологий. С 2018 года по настоящее время – руководитель отделения социально-гуманитарных наук Школы базовой инженерной подготовки ТПУ.
2003 – 2011 годы – заместитель декана гуманитарного факультета по научной работе. 2015 – 2016 годы – заместитель директора по научной работе Института социально-гуманитарных технологий.
С 2001 года – кандидат философских наук, с 2010 года – доктор философских наук.
Сфера научных интересов: когнитивная семиотика как наука о закономерностях создания и использования знаков и знаковых систем в качестве средств познания и общения, визуальные репрезентации будущего, социальная эпистемология, человек и его цифровые расширения.
Является лауреатом премии Томской области в сфере образования, науки, здравоохранения и культуры в номинации «Премии молодым научным работникам, специалистам, докторантам и аспирантам» (2006 год, раздел «Гуманитарные науки»). Награждена серебряной медалью «За заслуги перед Томским политехническим университетом» (2016 год), золотой и серебряной медалью международной образовательной выставки «УЧСИБ» (2007, 2012 годы), благодарностью администрации Томской области (2020 год), почетно й грамотой Министерства науки и высшего образования РФ (2021 год).
Возглавляла академические и научно-исследовательские проекты, поддержанные грантами Президента РФ для молодых ученых, РФФИ и АНО ЭИСИ, Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», госзаданием «Наука», РНФ и другими.