Natasha Lyonne, 4 Nisan 1979 tarihinde New York'ta dünyaya geldi. Yahudi bir ailenin kızı olan Lyonne, çocukluğunun ilk yıllarını New York ve İsrail arasında geçirdi. Oyunculuğa çok erken yaşlarda başlayan Lyonne, henüz altı yaşındayken "Pee-wee's Playhouse" adlı televizyon programında yer aldı ve çocuk oyuncu olarak çeşitli filmlerde rol aldı. Bu dönemdeki en bilinen rollerinden biri "Dennis the Menace" (1993) filmidir. Gençlik yıllarında Woody Allen'ın "Everyone Says I Love You" (1996) filmindeki performansıyla dikkat çekti.
1998 yapımı bağımsız film "Beverly Hills'in Varoşları" (Slums of Beverly Hills) ile asıl çıkışını yaptı ve eleştirmenlerden övgüler aldı.