Наталія Полонська-Василенко народилася 13 лютого 1884 р. в Харкові, у родині військового Дмитра Меньшова. Закінчила Києво-Фундуклеївську жіночу гімназію, Київські Вищі жіночі курси, історико-філологічний факультет Університету св. Володимира у Києві.

Викладала на Вищих жіночих курсах (1910—1918 рр.), у приватних гімназіях. З 1912 р. Наталія Дмитрівна — асистент історії на Вищих жіночих курсах, згодом  приват-доцент Київського університету. У міжвоєнний та воєнний період — професор Художнього інституту та Київського університету, співробітник Української академії наук, діяльний член багатьох наукових установ, в еміграції - професор Українського вільного університету в Празі та Мюнхені, дійсний член Українського історичного товариства, НТШ та Міжнародної академії наук у Парижі.

Н. Полонська-Василенко прожила довге, нелегке життя, присвятивши весь свій талант справі служіння українській науці. Вона належить до провідних представниць державницької школи в українській історіографії, є автором майже 200 наукових праць в царині історії Запоріжжя та Південної України. Її археографічні студії стали одним з джерел розвитку української історичної науки.

Праці Н. Полонської-Василенко: «Первісна археологія» (1921), історії Південної України — «З історії останніх часів Запоріжжя» (1926), «Історики Запоріжжя» (1927), «Південна Україна року 1787» (1929), «Перші кроки єврейської колонізації в Південній Україні» (1930) та ін.. Перебуваючи в еміграції вона досліджувала питання історії української козаччини — «Палій та Мазепа» (1949), «До історії повстання на Запоріжжі 1768 р.» (1952); «Заселення Південної України в XVIII ст.» (1960), «Запоріжжя XVIII століття та його спадщина» (1967). У Мюнхені в 1969 р. вийшла книга «Видатні жінки України», що присвячена непересічним представницям жіноцтва від часів княжої доби.  Поза сумнівом, одна з головних  праць —  «Історія України». Перший том був виданий у 1972 р., а другий — вже після смерті Наталії Дмитрівни  у 1976 р.

Померла Н. Полонська-Василенко в 1973 р. у м. Дормштадт, похована у м. Новий Ульм, Німеччина.