Natalie Dormer mengawali karirnya dengan memerankan tokoh Anne Boleyn dalam serial The Tudors (2007-2010) yang ditayangkan di Showtime. Perannya ini membuatnya mendapatkan pujian yang luas. Ia juga membuat debut panggungnya dalam pertunjukan Sweet Nothings pada tahun 2010 dan memerankan Duchess of York dalam film W.E. karya Madonna pada tahun 2011. Natalie juga tampil sebagai Private Lorraine dalam film Captain America: The First Avenger pada tahun yang sama. Penampilannya dalam drama After Miss Julie (2012) di Young Vic juga mendapatkan pujian.
Namun, Natalie Dormer mendapatkan perhatian dan pujian internasional ketika memerankan Margaery Tyrell dalam serial Game of Thrones (2012-2016) dan Cressida dalam dua bagian terakhir dari franchise The Hunger Games (2014-2015). Kedua film ini menjadi film dengan pendapatan tertinggi yang pernah ia bintangi. Selain itu, Natalie juga memerankan Irene Adler/Moriarty dalam serial CBS Elementary (2013-2015) dan Sara Price/Jess Price dalam film The Forest (2016). Ia juga mengisi suara karakter Onica dalam serial The Dark Crystal: Age of Resistance (2019).
Prestasi Natalie Dormer termasuk memenangkan Empire Award dan mendapatkan nominasi Critics' Choice Award, dua Gemini Awards, dan dua Screen Actors Guild Awards. Ia telah membuktikan bakatnya dalam dunia akting melalui perannya yang beragam dan mendapatkan pujian dari kritikus dan penonton. Meskipun kesibukannya sebagai seorang aktris, Natalie tetap menjaga kualitas penampilannya dan terus berusaha untuk memberikan yang terbaik dalam setiap peran yang ia mainkan.