Natalie Clifford Barney est née à Dayton (Ohio, Etats-Unis) le 31 octobre 1876, dans une riche famille américaine.
Elle reçoit la meilleure éducation, apprend le français, lit Verlaine et Baudelaire. Adolescente elle découvre le Paris de la fin du siècle. Liane de Pougy racontera dans Idylle saphique (1901) sa liaison avec "Moonbeam" (rayon de lune).
En 1900, Natalie Barney publie un premier volume de vers, Quelques portraits-sonnets de femmes, d'inspiration symboliste. Elle rencontre ensuite la poétesse Renée Vivien, qui fait d'elle sa muse. Rendue célèbre par ses amours (Colette, Lucie Delarue-Mardrus, plus tard Romaine Brooks), elle devient l'égérie du tout-Paris littéraire. En 1904, La Femme qui vit avec moi évoque une liaison sur le mode mineur. En 1910, elle donne Éparpillements, florilège de maximes, puis Je me souviens, long poème en prose consacré à sa liaison avec Renée Vivien, enfin un recueil de poèmes, Actes et entractes.
Remy de Gourmont, épris d'elle, lui adresse des Lettres à l'amazone qu'il publie dans Le Mercure de France (janvier 1912-octobre 1913). Pendant la guerre, Natalie Barney est résolument pacifiste. En 1920, son recueil Poems et poèmes célèbre la femme sur des mètres variés. En 1921, elle fait paraître Pensées d'une amazone et en 1927 publie les Lettres intimes à l'amazone, que lui avait jadis écrites Gourmont.
Aventures de l'esprit (1929) réunit des portraits littéraires, avant Celle qui est légion (1930), autoportrait romanesque. En 1939, Nouvelles pensées de l'amazone suscite l'admiration de son ami Max Jacob. Elle séjourne à Florence de 1940 à 1946, puis regagne la rue Jacob où elle tient toujours salon. Peu à peu Natalie Barney est oubliée, malgré la publication de Souvenirs indiscrets en 1960, suivis de Traits et portraits en 1963.
Délogée de sa maison de la rue Jacob, Natalie Clifford Barney meurt à l'hôtel Meurice, à Paris, le 02 février 1972.