Будучи еще студенткой первого курса, была приглашена режиссером Сергеем Герасимовым на роль Дуняши Мелиховой в знаменитом фильме «Тихий Дон». В 1960 году снялась в дипломной работе Андрея Тарковского — короткометражном фильме «Каток и скрипка» (главный приз фестиваля студенческих фильмов в Нью-Йорке, США, 1961).
1959-1962гг. — работала актрисой в театре Современник", где сразу активно вошла в репертуар и за три года сыграла восемь ответственных ролей. С самых первых шагов в профессии Н. С. Архангельская заявила о себе как актриса яркая и незаурядная, что подтвердил весь ее дальнейший творческий путь.
В 1962 году Н. С. Архангельская перешла в театр имени М. Н. Ермоловой и стала ведущей актрисой труппы. За 45 лет на этой сцене она всегда существовала в высоком творческом градусе, сыграв десятки центральных ролей. Высокая профессиональная культура, смелость и острота рисунка, самостоятельность сценического мышления, предельная заразительность неизменно отличают работы этой актрисы. Н. С. Архангельская раз и навсегда завоевала любовь зрителей, интерес прессы и театральной общественности. При всей яркости ее индивидуальности, актриса виртуозно владеет мастерством перевоплощения и не знает границ амплуа.
Такие роли актрисы как Мейдж в спектакле «Время и семья Конвей» Дж. Пристли, Кашкина в «Прошлым летом в Чулимске» А. Вампилова, Мария Шаманова в телевизионной версии пьесы А. Арбузова «Таня» в постановке А. Эфроса, Миледи в «Костюмере» Р. Харвуда, Эльза в «Пат, или игра королей» П. Когоута, навсегда вошли в золотой кинофонд русского театра.
Героине П. Когоута в исполнении Н. С. Архангельской рукоплескала театральная публика не только Москвы и десятка городов России, но и зрители Украины, Латвии, Эстонии, Германии, Израиля и др.
В 1999 году признанием заслуг Натальи Сергеевны стало присвоение почетного звания «народная артистка России».
Роли Н. С. Архангельской неизменно становятся событием в театральной жизни столицы, получают восторженную прессу, становятся предметом изучения специалистов. Ее творчеству посвящена большая статья А. Кравцова в книге «Звезды столичной сцены» (Серия «Выдающиеся мастера». М. , «АСТ-ПРЕСС КНИГА», 2002г.); в книге театрального критика Веры Максимовой «Театра радостные тени» (С-Пб. , 2006) в главе «Женщина театра» собраны и проанализированы впечатления о многих сценических работах актрисы.
Сценический темперамент, диалектика героических и трагедийных красок, стремительные темпоритмы, точность интеллектуального анализа и предельная эмоциональная заразительность актрисы делают каждый ее сценический образ ярким, объемным и запоминающимся. Все ее героини отличаются заразительной экспрессией, тонким умом и женственностью. Каждый выход на сцену Натальи Сергеевны Архангельской — настоящий подарок всем поклонникам лучших традиций русского психологического театра.