Natalia Lomeiko entstammt einer Musikerfamilie und wuchs in Nowosibirsk in Russland auf. Bereits mit sieben Jahren trat sie gemeinsam mit dem Novosibirsk Philharmonic Orchestra auf und etablierte sich seitdem als vielseitige Künstlerin. Im Anschluss an ihr Studium am Royal College und an der Royal Academy of Music in London gewann sie zahlreiche renommierte Wettbewerbe, unter anderem den Premio Paganini-Wettbewerb in Italien und den Michael Hill-Wettbewerb in Neuseeland.
Natalia Lomeiko konzertierte unter der Leitung bedeutender Dirigenten mit namhaften Orchestern Neuseelands, Australiens, Russlands und Frankreichs sowie mit dem Royal Philharmonic Orchestra, Philharmonia Orchestra, Singapore Symphony Orchestra, Tokyo Royal Philharmonic und dem New European Strings Orchestra. Als Solistin gastierte sie in der Carnegie Hall in New York, in zahlreichen bekannten Konzertsälen Londons und auch im Buckingham Palace.
Kammermusikalisch ist Natalia Lomeiko mit angesehenen Musikerinnen und Musikern nicht nur auf Konzertbühnen unterwegs, sondern nahm auch CDs für die Labels Dynamic, Fone, Trust Records, Naxos und Orchid auf.
Im Jahr 2010 wurde Natalia Lomeiko zur Violinprofessorin am Royal College of Music in London ernannt, wo sie seither auch lebt. Seit 2017 hat sie eine Professur am Eton College in Windsor inne.