Карлионова Наталия Викторовна в 2003 г. закончила Гомельский Государственный университет им. Ф.Скорины по специальности Н. 06.01 «Экология». Во время учебы в университете начала заниматься изучением формирования комплексов птиц пригородных лесов Полесья под руководством заведующего кафедрой экологии кандидата биологических наук доцента А.Н. Кусенкова. В 2001 году стала победителем конкурса НИР молодых ученых, проводимого Министерством образования Республики Беларусь, и получила грант на выполнение работ по теме: «ФОРМИРОВАНИЕ АВИФАУНЫ И НАСЕЛЕНИЯ ПТИЦ ПРИГОРОДНЫХ ЛЕСОВ ПОЛЕСЬЯ».
В 2003 году поступила в аспирантуру Института подготовки научных кадров НАН Беларуси.
В настоящее время Карлионова Наталия Викторовна – кандидат биологических наук (по специальности 03.00.08 – зоология), научный сотрудник лаборатории орнитологии Государственного научно-производственного объединения «Научно-практического центра НАН Беларуси по биоресурсам. В 2007 году защитила диссертацию по теме «Миграционная стратегия турухтана Philomachus pugnax (Linnaeus, 1785) в Восточной Европе». Научная деятельность Карлионовой Н.В. связана с изучением сезонных миграций куликов на территории Беларуси, эколого-физиологических адаптаций перелетных птиц, кольцеванием и изучением географических связей птиц, мигрирующих через Беларусь. Результаты исследований обсуждались более чем на 30 конференциях и семинарах, как в Республике Беларусь, так и за рубежом, опубликовано 50 научных работ, из них 16 статей.
Н. В. Карлионова является стипендиатом премии Президента Республики Беларусь талантливым молодым ученым на 2009 год. Также является координатором в Европейской группе Долговременных экологических исследований (LTER) от Республики Беларусь и членом Совета в Европейском Орнитологическом Союзе (EOU).
В рамках международного сотрудничества и развития нового направления фундаментальных зоологических исследований с использованием молекулярно-генетических методов налажены научные связи с Кафедрой экологии и зоологии позвоночных Гданьского университета, г.Гданьск, Польша и, Центром эволюционных и экологических исследований Гронингенского университета, Голландия.
