Родилась15 августа в с. Сиява Порецкого района Чувашской АССР. В 1992 году окончила Тобольский государственный педагогический институт им. Д. И. Менделеева, затем аспирантуру ТюмГУ.
Наталья Алексеевна работала научным сотрудником в Тобольском музее-заповеднике, назначалась на различные руководящие должности (1990-1997). Здесь она организовала Центр краеведения и музейной педагогики; историко-краеведческую экспедицию для сельских школьников «Родные просторы» в Тюменском областном краеведческом музее; научно-исследовательский институт истории науки и техники Зауралья ТюмГНГУ (1998-2003).
В 1996 году Балюк защитила кандидатскую диссертацию «Социально-экономическое развитие Западно-Сибирской деревни в XVII – XIX вв.» (УрГУ). В 2003 году – докторскую диссертацию «Крестьянское хозяйство Зауралья в конце XVI – нач. XX вв.» (ТюмГУ).
Историк стала автором свыше 190 учебно-методических и научных печатных работ. Среди них 12 монографий, четыре сборника архивных документов, используемых в научной, педагогической, туристской и экскурсионной практике, 18 учебных пособий, 12 научных статей, которые публиковались в журналах, рецензируемых ВАК, 3-Publ. Skopus; 5-Индекс Хирша.
Наталья Алексеевна составляла путеводители по Тюмени и Тюменской области.
Награждена медалью Всероссийской премии Федора Конюхова в номинации «Память» (2021), почетными грамотами, дипломами, благодарностями. в том числе Министерства образования и науки РФ (2015), Правительства Тюменской области, Департамента стратегического развития Тюменской области (2009), Комитета по делам национальностей Тюменской области (2015), Тюменского госуниверситета, ГБУ ЯНАО «Ямалтур» и др.