По закінченні Харківського інституту мистецтв імені І.П.Котляревського по класах фортепіано і вокалу Наталія Гребенюк продовжила здобувати освіту в асистентурі-стажуванні Санкт-Петербурзької консерваторії, водночас виступаючи як солістка Маріїнського оперного театру. Артистка брала участь у кількох престижних міжнародних фестивалях, стала лауреатом Міжнародного конкурсу оперних голосів у Неаполі (Італія, 1991), Міжнародного фестивалю «Нові голоси України» (Київ, 1992), Міжнародного конкурсу оперних співаків у Тулузі (Франція, 1993).

З 1997 року Наталія Гребенюк — солістка Національного будинку органної та камерної музики України. Репертуар артистки складається з сольних програм і оперних партій зарубіжних і українських композиторів.

Наталія Гребенюк щасливо поєднує виконавську діяльність із науково-педагогічною роботою.