Наталья Петровна — внучка Владимира Бехтерева, создателя отечественной школы психоневрологии, первого психоневрологического института (ныне НМИЦ психиатрии и неврологии им. В. М. Бехтерева) и автора семи томов «Основ учения о функциях мозга». Она стала достойным продолжателем фамильного дела — в 1962 году первой в СССР вступила в «разговор с живым человеческим мозгом», начав применять имплантацию электродов в мозг человека для диагностики и лечения нервных заболеваний.

В результате этой работы Бехтерева открыла, что нейроны головного мозга реагируют на смысловое содержание речи и служат звеньями в системах обеспечения мыслительной деятельности. В 1968 году она первой описала так называемый детектор ошибок — механизм реакции мозга на ошибку при выполнении задания.

Впоследствии Наталья Петровна создала теорию патологического состояния мозга, разработала методологию исследования жизнедеятельности здорового и больного мозга, в том числе механизмов мышления, памяти, эмоций, творчества. Разработала методики восстановления памяти и двигательных функций после глубоких амнезий, инсультов и инфарктов.

Гипотезы, которые выдвинула Бехтерева, в том числе о роли корково-подкорковой системы в обеспечении психической деятельности, о механизмах патологических состояний при ряде заболеваний мозга и о том, что именно такие состояния служат причинами хронических заболеваний нервной системы, послужили развитию малоинвазивной стереотаксической нейрохирургии (когда операция проводится на целевой точке внутри мозга по заранее рассчитанным координатам). Под ее руководством создано новое направление на стыке неврологии и нейрохирургии — стереотаксическая неврология.

Более 20 лет Наталья Петровна служила директором Института экспериментальной медицины АМН СССР, а в 1990 году сформировала и возглавила в качестве научного руководителя Институт мозга человека РАН (ныне носит ее имя).

В последние годы жизни Бехтерева часто общалась с прессой — СМИ привлекала готовность именитого академика беседовать на популярные у постсоветского читателя темы сверхестественного, паранормального и потустороннего. В частности, Наталья Петровна выступала за научное изучение способностей Ванги (к которой ездила лично в 1989 году) и Кашпировского.

За это Наталья Петровна нередко подвергалась критике со стороны коллег по научному сообществу, а ее институт навлек на себя пристальное внимание комиссии по борьбе с лженаукой и фальсификацией научных исследований РАН. Впрочем, даже критики с уважением отзывались о смелости, с которой Бехтерева выражала свое мнение. Современники вспоминали, что именно эта черта — в большей степени, чем знаменитая фамилия,— помогла ей пробиться в научном мире.