Наталья Дмитриевна Шпиллер родилась 7 сентября 1909 года в семье архитектора.
В 1931 году окончила Киевскую консерваторию (класс А.Н.Шперлинг).
В 1931-1935 г.г. - солистка Куйбышевского театра оперы и балета, в 1935-1958 - Большого театра. Выступала и как концертная певица.
В марте 1943 года Сталинская премия первой степени в размере 100 000 рублей за оперный спектакль «Вильгельм Телль» Дж.Россини была передана Н.Шпиллер вместе с коллективом Большого театра в Фонд обороны.
С 1950 года - преподаватель ГМПИ имени Гнесиных (с 1963 г. профессор, в 1964-75 заведующая кафедрой оперной подготовки, в 1975-79 - кафедры сольного пения).
С 1950 года - член союза театральных деятелей РСФСР.
С 1969 года - председатель совета вокально-творческого кабинета А.В.Неждановой и Научно-методического совета по вокальному образованию при Министерстве Культуры России.
Автор многих рецензий и научно-методических статей.
Шпиллер - Народная артистка РСФСР (1947), трижды лауреат Сталинской (Государственной) премии СССР (1941, 1943, 1950).
Умерла 20 июля 1995 года.
Наталья Дмитриевна Шпиллер родилась 7 сентября 1909 года в семье архитектора.