Медициной она всерьез заинтересовалась во время войны, когда в блокадном Ленинграде дежурила в госпиталях, ухаживая за ранеными.

С 1950 по 1990 год она работала в Институте экспериментальной медицины АМН СССР. Возглавляла Научно-исследовательский институт экспериментальной медицины АМН СССР. Затем стала во главе Института мозга человека РАН и почти два десятилетия была его научным руководителем.

Бехтерева изучала, как работает мозг здорового и больного человека и сделала немало открытий на этом пути. Наталья Петровна – автор около 400 научных работ, ей принадлежат открытия в области механизмов мышления, памяти, эмоций и организации головного мозга человека.

Бехтерева была первой в СССР, кто применил способ вживления электродов в мозг человека в диагностических и лечебных целях. Под её руководством была создана новая ветвь неврологии и нейрохирургии — стереотаксическая неврология.

Наталья Петровна изучала мозг вождей, встречалась с Вангой, а в последние годы стала верующим человеком и заинтересовалась феноменом опыта после смерти. Среди ее увлечений можно отметить живопись и музыку. Для массового читателя она написала книгу «Магия мозга и лабиринты жизни», где понятным языком рассказала о мозге человека и его загадках.

Ее работы оказали значительное влияние на развитие нейрофизиологии не только в нашей стране, но и далеко за ее пределами.