Пентюхова Наталья Рафаиловна родилась 7 января 1917 года на станции Кувандык Оренбургской области в семье врача.
В 1935 году, окончив в Оренбурге десять классов, поступила учиться на филологический факультет института истории, философии и литературы им. Чернышевского (г. Москва). Получив специальность «научный работник в области литературы, преподаватель вуза» и звание «учитель средней школы» в 1940 году направлена на работу старшим преподавателем в Учительский институт г. Вязьмы. В 1941 году эвакуировалась из Москвы в Оренбург, где работала учителем русского языка и литературы. С 1942 года — преподаватель в школе при детском доме в селе Ташлино Троицкого района Оренбургской области. В 1943 году вернулась в Москву, в 1944 году поступила в аспирантуру на филологический факультет МГУ. В 1947 года защитила диссертацию на тему «Трилогия Алексея Толстого», кандидат филологических наук. Принята в ряды членов КПСС. С 1947 года работала и.о. доцента кафедры русской литературы в г. Курске, в 1949 году перешла на работу в Тульский педагогический институт. В 1953 году перешла на работу в Государственный литературный музей старшим научным сотрудником. С 1967 г. она работала в Музее революции СССР: старшим научным сотрудником, заведующей лабораторией звукозаписи, старшим научным сотрудником отдела фондов. Печатала научные статьи в журналах, сборниках, газетах. Являлась автором литературной обработки книг серии «Годы и люди», повествующей о героях труда: Д. Гармаш «Побеждает любовь»; X. Гурсункулов «Дорогу осилит идущий»; X. Насырова «Солнце над востоком»; Акафа Джафарова «В открытом море»; Турсуной Ахунова «О том, что сердцу дорого».
Муж, Пентюхов Василий Иванович, был заместителем начальника прииска на крайнем Севере.
Сын, Пентюхов Михаил Васильевич, родился в 1941, стал инженером.
Дочь, Пентюхова Татьяна Васильевна, родилась в 1951, работала старшим архитектором НИИП курортных зданий.
В 1982 году Наталья Рафаиловна вышла на пенсию.
Скончалась Н. Р. Пентюхова в 2004 году.