Natalia Dumitresco beginnt ihre künstlerische Ausbildung 1934 an der Kunstakademie ihrer Heimatstadt Bukarest bei Francisc Sirato. In ihrem Abschlussjahr 1939 heiratet sie den Maler Alexandre Istrati, der ihr erste Impulse zur Auseinandersetzung mit abstrakter Malerei gibt. Mit ihm verlässt sie Bukarest und siedelt 1947 nach Paris über. In den ersten Jahren besucht sie die Académie André Lothe und befreundet sich schon bald mit dem Bildhauer Constantin Brancusi. Von 1948 bis zu dessen Tod 1957 arbeitet das Paar in einem Nachbaratelier des Bildhauers. Brancusi bestimmt Dumitresco zu seiner Universalerbin, weshalb sich die Künstlerin in den folgenden Jahrzehnten neben ihrer eigenen künstlerischen Produktion auch intensiv der umfassenden Aufarbeitung des Lebenswerkes Brancusis widmet. Diese Beschäftigung mündet u.a. 1977 in der Rekonstruktion seines Ateliers am Centre Pompidou und 1986 in der Veröffentlichung einer größeren Monografie zum Künstler. Zwischen 1950 und 1980 pflegt die Künstlerin enge Kontakte zur Pariser Avantgarde, die die Ausprägung ihres individuellen Stils in dieser Zeit befördern. Auf internationalen Ausstellungen u.a. in Brüssel, New York, Köln, Tokio und Paris sind ihre Arbeiten zusehen. In ihren Ölbildern und Papierarbeiten überträgt sie Stadtlandschaften, oftmals Reiseimpressionen, in großformatige expressive lineare Strukturen, die sich durch ihre große Leuchtkraft auszeichnen. Durch zahlreiche Ehrungen findet das Werk Dumitrescos nachhaltige Anerkennung. So erhält sie 1952 den Preis der Gruppe Espace, 1955 den Kandinsky-Preis, 1959 den Carnegie-Preis und 1969 den 1. Preis des Salon Internationale de la Femme. Am 3. Juli 1997 stirbt Natalia Dumitresco in Paris.