Η Ναταλία Πούλου έλαβε το πτυχίο του Τμήματος Ιστορίας και Αρχαιολογίας από το Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών το 1979. Το 1981 έλαβε τον μεταπτυχιακό τίτλο DEA (Diplôme d’études approfondies) από το Πανεπιστήμιο Paris I – Panthéon – Sorbonne, στο Παρίσι, ενώ το 1985 έλαβε τον τίτλο του διδάκτορος  (Doctorat nouveau régime) με τον βαθμό ‘Très Honorable’ από το ίδιο πανεπιστήμιο. Για τις μεταπτυχιακές και διδακτορικές της σπουδές έχει λάβει την υποτροφία του Ιδρύματος Ωνάση και εκείνην της Γαλλικής Κυβέρνησης. Το έτος 1989 πραγματοποίησε έρευνα στα Μουσεία Römisch-Germanisches Museum Köln και Römisch-Germanisches Zentralmuseum, Mainz (υποτροφία DAAD) Το ακαδημαϊκό έτος 1993/1994 υπήρξε μεταδιδακτορική υπότροφος της Γαλλικής Κυβέρνησης και πραγματοποίησε έρευνα στο Centre d’Histoire et Civilisation de Byzance στο  Collège de France (Παρίσι).  Κατά το διάστημα 1994-1997 υπήρξε ερευνήτρια στο Ιστιντούτο Βυζαντινών Ερευνών/Εθνικό ίδρυμα Ερευνών, ενώ την περίοδο 1995-1997 και επίσης κατά το έτος 1999-2000 δίδαξε στο Τμήμα Ιστορίας και Αρχαιολογίας του Πανεπιστήμιου Κρήτης (Π.Δ. 407). Το 2003 εξελέγη Λέκτορας στο Τμήμα Ιστορίας και Αρχαιολογίας του ΑΠΘ και από το 2018 έχει την θέση της καθηγήτριας Βυζαντινής Αρχαιολογίας στο ίδιο πανεπιστήμιο. Από το 2017 έως το 2019 διετέλεσε Διευθύντρια του Τομέα Αρχαιολογίας. Έχει διδάξει ως επισκέπτρια καθηγήτρια στα πανεπιστήμια Université Paris Ι, Panthéon Sorbonne (2012), Università di Bologna (2013 και 2016), Université Aix – Marseille (2015). Έχει διευθύνει ερευνητικά προγράμματα, ενώ υπήρξε συνεργάτης σε άλλα. Έχει λάβει το Project Grant από το  GABAM (Koç University) (2018-2019) και το Project Grant από το Dumbarton Oaks (2016-2017). Έχει οργανώσει πολλά διεθνή συνέδρια και σεμινάρια (Σεμινάρια Βυζαντινής κεραμικής/Τομέας Αρχαιολογίας, Σεμινάρια Διά Βίου Μάθησης/ΚΒΕ). Είναι μέλος του διοικητικού συμβουλίου πολλών διεθνών ακαδημαϊκών και ερευνητικών οργανισμών, ενώ συμμετέχει σε πολλές επιστημονικές εταιρείες. Από 2018 έως το 2020 ήταν μέλος του Διοικητικού Συμβουλίου, ενώ από τον Μάρτιο του 2021 είναι πρόεδρος του ΔΣ του Κέντρου Βυζαντινών Ερευνών (ΚΒΕ). Από τον Μάρτιο του 2020 είναι πρόεδρος του Διοικητικού Συμβουλίου του Ευρωπαϊκού Κέντρου Βυζαντινών και Μεταβυζαντινών Μνημείων (ΕΚΒΜΜ). Έχει λάβει μέρος σε πολλές ανασκαφές και από 2014 διευθύνει την πανεπιστημιακή ανασκαφή του Μόχλου (Κρήτη). Από το 2011 έως το 2018 ήταν μέλος της ομάδας της πανεπιστημιακής ανασκαφής των Φιλίππων, ενώ από το 2019 είναι η διευθύντρια της ίδιας ανασκαφής. Έχει λάβει μέρος με ανακοίνωση σε πολλά συνέδρια, έχει δημοσιεύσει βιβλία, αυτόνομα κεφάλαια σε βιβλία τρίτων και πολλά άρθρα σχετικά με αρχαιολογικά τεκμήρια από την Σάμο, την Κρήτη, τα Κύθηρα τους Φιλίππους και το βυζαντινό Αιγαίο. Ενδιαφέρεται για την έρευνα στην βυζαντινή αρχαιολογία, την  αρχιτεκτονική και την τοπογραφία, την ενάλια αρχαιολογία, τους θαλάσσιους δρόμους και την επικοινωνία στο Βυζάντιο, το εμπόριο, την παραγωγή και την διακίνηση προϊόντων κατά την βυζαντινή περίοδο. Επίσης ασχολείται συστηματικά με την έρευνα και μελέτη της βυζαντινής και μεταβυζαντινής (βενετική– οθωμανική) κεραμικής, την παραγωγή, την διακίνηση και την αρχαιομετρία.