На роль Нины в кинокомедии Леонида Гайдая претендовали более пяти сотен актрис. В пробах принимали участие Наталья Кустинская, сёстры Вертинские, Валентина Малявина, Наталья Фатеева и другие актрисы. Режиссёр остановил свой выбор на Варлей из-за её невероятного обаяния. Будучи цирковой артисткой, Варлей пожелала все трюки в фильме исполнить самостоятельно, но Гайдай из-за соображений безопасности не позволил ей этого сделать.



Каскадёрша в результате оказалась ненастоящей — девушка обманула кинематографистов, представившись профессиональной исполнительницей трюков, чтобы просто попасть на площадку и познакомиться с любимыми артистами. Искать ей замену уже не было времени и Наталья Варлей с радостью приняла участие в съёмках опасных сцен. Сама актриса вспоминает работу на съёмках «Кавказской пленницы» с большим теплом. После премьеры фильма Варлей стала любимицей всех киноманов Советского Союза. Интересен тот факт, что за работу она получила всего 300 рублей.