Н. Варлей родилась 22 июня 1947 года в румынском городе Констанца. Как гласит семейное предание, Варлей — фамилия валлийская. Предки Натальи попали в Россию из Англии. Это случилось в XIX веке: некий музыкант приехал к нам с туманного Альбиона и привез с собой конюшню, в которой были два жокея — братья Варлей. Затем они женились на русских девушках и окончательно обрусели.

Детство Натальи прошло в холодном Мурманске (ее отец был капитаном дальнего плавания). С малых лет Варлей была чрезвычайно одаренной: в четырехлетнем возрасте начала писать стихи, затем училась в музыкальной школе, рисовала. Когда выучилась читать, стала запоем проглатывать одну книгу за другой. Но в то же время она была очень болезненным ребенком: у нее обнаружили ревмокардит сердца и запретили заниматься в школе физкультурой.

В конце 50-х годов семья Варлей поселилась в Москве, в доме, окнами выходящим на Гоголевский бульвар. В один из дней мама повела Наташу в цирк. Они пришли раньше положенного времени, а тут внезапно начался сильный дождь. Мама с Наташей спрятались в кассе, и первое, что девочка там увидела, было объявление о наборе детей 11–13 лет в детскую цирковую студию. Буквально на следующий день, тайком от родителей, девочка отправилась по указанному адресу. Как это ни странно, но, обмерив Наташу вдоль и поперек, проверив ее гибкость и растянутость, педагоги студии сочли возможным принять ее к себе. Рассказывает сама Н. Варлей:

"Нас, студийцев, часто занимали на представлениях в прологах. Помню, когда был хрущевский обмен денег в 1961 году, сочинили для нас танец под названием "Копейка рубль бережет". Мы с фанерными огромными копейками по бокам выбегали на арену и радостно выкрикивали: "Копейка!", а последняя десятая «копейка» кричала: "Гривенник!" И вот в очередной раз, выбегая в победном марше несокрушимой копейки, я застряла между зрителями. «Копейки» рассчитались без меня, и гривенник получился из девяти копеек. Все очень смеялись. Кстати, на представлениях я встречалась с Юрием Никулиным…"

В 1965 году Варлей окончила Училище циркового и эстрадного искусства и пришла в труппу Московского цирка на Цветном бульваре. Работала эквилибристкой. Какое-то время выступала в одном номере со знаменитым клоуном Леонидом Енгибаровым: танцевала на трапеции с кастаньетами, сидя на стульчике, играла на концертино. Именно благодаря Енгибарову Наташа попала в кино. Произошло это при следующих обстоятельствах.

Енгибаров уже несколько лет снимался в кино и имел множество друзей в киношной среде. Одним из его приятелей был режиссер с Одесской киностудии Георгий Юнгвальд-Хилькевич. В один из дней начала 1966 года он пришел на очередное представление Московского цирка, который гастролировал в Одессе, чтобы встретиться с другом. Но, увидев там Наташу, настолько был потрясен ее внешностью, что на следующий день явился к ней в гостиницу и пригласил сниматься в своем фильме. Причем его симпатия оказалась такой сильной, что через пару-тройку дней он снял утвержденную на главную роль актрису Марэ Хиластэ и заменил ее Варлей. Однако худсовет это дело «завернул», в итоге главную роль сыграла очень популярная в те годы актриса Раиса Недашковская, а Варлей досталась эпизодическая роль медсестры. Но вскоре судьба с лихвой вознаградила Наталью: именно на "Формуле радуги" ее приметила ассистентка Гайдая. Когда Варлей вернулась из Одессы в Москву, дома ее уже ждала телеграмма с «Мосфильма» с просьбой явиться на пробы, которые состоялись 13 апреля 1966 года в павильоне № 9, ассистировал на них юной актрисе Герман Качин. Через несколько дней худсовет объединения, просмотрев эту пробу, утвердил Наталью Варлей на роль Нины.

К 21 апреля в павильоне № 4 была выстроена декорация "Дом Джабраила". В тот день прошло ее освоение, а 22 апреля съемки начались: снимали эпизоды с участием Этуша (Саахов), Мкртчяна (Джабраил), Никулина (Балбес), Вицина (Трус) и Моргунова (Бывалый): Джабраил отчитывает троицу, которая не смогла с первой попытки похитить Нину: "Вы не оправдали оказанного вам высокого доверия". Бывалый оправдывается: "Невозможно работать…" Трус поясняет: "Вы даете нереальные планы". А Балбес заканчивает: "Это, как его волюнтаризм". На что Джабраил возмущается: "В моем доме прошу не выражаться…"; Шурик узнает от Нининой тети о похищении Нины.

23 — 24 апреля — выходные дни.

25 апреля (павильон № 4) — Бывалый считает деньги; Трус накрывает червонец туфлей.

26 апреля (павильон № 9) — Балбес и Трус занимаются калькуляцией. Балбес диктует: "Пиши с новой строчки: обед. Подчеркни: от супа отказалась. В скобах: суп харчо. Дальше. Три порции шашлыка: выбросила в пропасть. Теперь вино. Разбила две бутылки". Трус уточняет: "Три", — и показывает распитую ими же бутылку. "Пиши три", — соглашается Балбес, после чего, не вставая с места, чешет свою ступню (в кадре это рука не Никулина, а человека, который лежит под одеялом. Сам трюк придумал оператор Константин Бровин).

27 апреля (павильон № 9) — Шурик и Эдик под видом врачей приезжают в Орлиное гнездо, где троица держит в заточении Нину, с сообщением: "В районе эпидемия. Поголовные прививки. Ящур". Троица послушно ложится на живот, чтобы им сделали прививки. Первым под иглу попадает Трус, затем Балбес. Третьим — Бывалый, зад которого требовал особенной иглы. Рассказывает Е. Моргунов:

"Для Гайдая было главное, чтобы мы придумывали трюки. За каждый такой трюк Гайдай предлагал нам по две бутылки шампанского. Никулин заработал в "Кавказской пленнице" 24 бутылки. Я — 18. А Вицин, к сожалению, заработал лишь одну бутылку. Потому что он страшно не любил шампанское. Он любил сдавать посуду…

Сценку с моим уколом придумал Никулин. Он сказал: "Какой смысл делать третий маленький укол, если два уже сделали. Моргунову надо сделать большой". И принес из цирка красивый шприц с французским названием «жане» вот, мол, его и будем колоть. Я сказал: "нет, колоть не будем, у меня семья". Никулин говорит: "Не бойся, больно не будет". Крупным планом снимали лицо, а сзади между ног установили табуретку, сняли с нее сиденье и положили обычную подушку. Саша Демьяненко брал шприц и втыкал. Семь раз мы снимали этот кусочек, я его боялся как огня — потому что там же все рядом. Под табуреткой лежал Никулин, на руке у него была перчатка. Как только игла входила в подушку до упора, Никулин по команде Гайдая хватал ее рукой и держал. Это он поворачивал шприц то влево, то вправо, словно он покачивается. А все думали, что Моргунову пронзили его толстый зад…"

28 апреля (павильон № 9) — Шурик и Эдик перед тем как всадить Бывалому шприц; троица хочет встать, но Эдик их останавливает: "Лежите! Это новейшая вакцина замедленной усвояемости. Моменто море"; Нина бьет Шурика подносом по голове; Нина, схватившись за веревку, встает на подоконник.

29 апреля (павильон № 9) — Саахов (Этуш) и Джабраил (Мкртчян) слушают, как Нина бьет в комнате посуду. "До сервиза дошла, — с грустью замечает Саахов. — Двенадцать персон, девяносто шесть предметов". Джабраил пытается вразумить племянницу, произносит пламенную речь о женихе и… шум в комнате пленницы стихает. Саахов берет поднос с вином и фруктами, чтобы войти к Нине. "Шляпу сними", — просит он дядю пленницы.

30 апреля — 2 мая — выходные дни.

3 мая — все в том же павильоне № 9 снимали эпизод: Нина прикрывает свои изящные ножки скатеркой.

4 мая (павильон № 9) — Нина открывает окно, но видит решетку; Нина открывает другое окно, но внизу — пропасть.

5 мая (павильон № 9) — Нина бьет кулаками в дверь, требуя, чтобы ее выпустили на свободу; в комнату к Нине входит Трус, садится на коврик, принесенный с собой; Трус умиляется, глядя на Нину, которая ест; к Нине входит Балбес с подносом на голове; Балбес кидает вверх бублик; Нина, закрыв дверь, видит перед собой дядю (его в кадре нет) и объявляет голодовку.