Один из виднейших художников русского авангарда.
В 1906 г. Училась в художественной школе у К. Ф. Юона. В 1912 - 1913 гг. училась в Париже, в мастерской палитра. В 1913 г. Вместе с художниками В.Е. Татлиным и Л.С. Поповой работала в Москве в студии «На башне» (создана в 1911 г. М. Ларионовым).
Член объединений и участник выставок: «Бубновый валет» (возникло в 1910 г.), «Трамвай В» (название первой футуристической выставки в Петрограде в марте-апреле 1915 г.), «Магазин» (название футуристической выставки, организованной В. Е. Татлиным в 1916 г. в Москве), «Мир искусства», «Московские живописцы», «ОМХ», группы «13».
В 1918 г. преподавала в Государственных свободных художественных мастерских(ассистент К.С. Малевича).В 1920–1921 гг. член ИНХУКа (Институт художественной культуры в Ленинграде), московской коллегии по делам искусств Наркомпроса. В 1921 – 1934 гг. преподавала во ВХУТЕМАСе – ВХУТЕИНе.
Работы художника хранятся в Государственной Третьяковской Галерее, Государственном Русском Музее, других крупных музеях России и за рубежом.
Творчество Н. А. Удальцовой представляет как бы умеренное крыло радикального авангарда 1910-х гг. Испытав влияние В. Е. Татлина и К. С. Малевича, она не стала адептом ничьей веры; внимание к чисто живописным проблемам, к станковой форме как таковой помогло ей впоследствии органично и достойно выйти из ситуации растворения авангарда в прикладной сфере, сохранив и в натурных холстах цветовую и фактурную энергетику.
Удальцова посещала московские студии К. Ф. Юона (1906; здесь ее первым авторитетным учителем был Н. П. Ульянов) и К. Киша (1909-11), работала в студии В. Е. Татлина; затем продолжила образование в парижской академии "Ла Палетт" у А. Ле Фоконье и Ж. Метсенже (1912).
Отсюда ее пристрастие к кубизму: вариации хрестоматийных кубистических мотивов ("Скрипка", "Музыкальные инструменты", "Кухня", "Бутыль и стакан", все 1910-15) обнаруживают абсолютное владение методом, конструктивный напор и напряженность цвета.
Даже увлекшись супрематизмом (а Удальцова была членом общества "Супремус" и ассистентом Малевича во Вхутемасе), она продолжает параллельно создавать кубистические композиции, дорожа скрытым в них началом картинности и живого ощущения красочного материала ("Живописное построение", 1916; "Красная фигура", 1919, и др.). Именно привязанность к картине предопределила уход Удальцовой и ее мужа, художника А. Д. Древина, из Инхука (1921) в знак протеста против засилья производственников; по существу, это было и их уходом из авангарда. Но уход в данном случае не оказался концом пути. Долгосрочный натурный период - натюрморты, пейзажи Алтая, Казахстана и Армении - предельно выявил поразительное цветовидение Удальцовой. "Меня обвиняют в формализме, а по существу я работаю над цветом", - писала она в дневнике. Такие обвинения естественно вытесняли "обвиняемого" из художественной жизни.
С 1934 г. работы Удальцовой не выставлялись (за исключением камерного показа в театре "Ромэн" в 1945 г.). Тем не менее, обреченная на одиночество, пережившая арест и гибель мужа, художница не утратила уверенности в правильности своего пути, и, питаясь этим сознанием, ее живопись не теряла внутренней глубины.