För £39m köper företaget upp till en fjärdedel av det virke som släpps ut av NRW varje år.
Revisor Huw Vaughan Thomas sa att han inte kunde övertyga sig själv om huruvida beslutet att göra affären var lagligt.
NRW bestred slutsatserna.
Anklagelserna har framförts i ett svar på NRW:s räkenskaper för 2015/16 av Thomas, som kallade affären "oregelbunden".
Han sade att beslutsprocessen inte var öppen och uttryckte tvivel om huruvida den uppfyllde EU:s regler om statligt stöd.
"Jag har inte kunnat övertyga mig själv om att beslutet att godkänna dessa avtal var lagligt och inte innefattade tillhandahållande av statligt stöd", skrev han.
Företagets identitet har inte avslöjats eftersom NRW sade att frågan var kommersiellt känslig.
Som ett villkor för avtalet sade företaget att det skulle bygga och driva en ny såglinje i sina walesiska lokaler senast den 31 mars 2016 men NRW sade att villkoret inte var uppfyllt och förlängdes med 12 månader.
NRW skulle inte säga om villkoret hade uppfyllts sedan i mars förra året.
I en rapport från generalrevisorn uppgavs att NRW 2014 ingick ett avtal med en sågverksoperatör om åtta uppkopplade timmerförsäljningskontrakt i ett försök att stoppa spridningen av en sjukdom.
Firman köpte både gran- och lärkträ, varav det senare kom från skogar där det fanns en svampsjukdom - P Ramorum - som orsakar omfattande skador.
Men enligt rapporten gavs inga andra potentiella köpare möjlighet att lämna anbud på virket.
Värdet av kontraktet var utformat för att göra det möjligt för operatören att göra en stor investering i sågverket - operatören sade att fyra av kontrakten för lärk inte skulle ha varit tillräckligt för att investera i den nya såglinjen.
NRW sade till revisorerna att det var tvunget att agera, att det inte fanns något alternativ och att det var högst osannolikt att några andra operatörer skulle ha varit intresserade.
Thomas ansåg dock att den tioåriga affären skulle ha varit en möjlighet som andra operatörer kan ha varit intresserade av.
Detta, avsaknaden av marknadstester och det faktum att NRW i interna dokument medgav att tilldelningen av kontraktet gav upphov till risk för konkurrens från ett annat företag, fick revisorn att tro att det borde ha hänskjutits till den walesiska regeringen eftersom det var omtvistat och kunde få återverkningar på den bredare marknaden.
Men det hänvisades inte till den walesiska regeringen på det sättet, och som ett resultat av detta var kontrakten "oregelbundna" enligt revisorns uppfattning.
Thomas sade också att tilldelningen av kontrakt till sågverksoperatören varken var "robust eller transparent", och sade att NRW inte kunde tillhandahålla "tillräcklig samtidig dokumentation" som visade vad man tog hänsyn till när man beslutade sig för att ingå avtalen.
"I avsaknad av tillräckliga bevis har jag inte kunnat övertyga mig själv om att NRW:s beslut att ingå dessa avtal med sågverksoperatören fattades i enlighet med offentligrättsliga principer", skrev han.
Revisorn sade att hans osäkerhet inte innebar att kontrakten nu skulle betraktas som olagliga eller som dåligt valuta för pengarna.
Han tillade att NRW "misslyckades följa lämpliga processer för att säkerställa att de resultat för vilka företaget kontrakterade med sågverksoperatören erhölls på marknadsmässiga villkor".
"Detta misslyckande ger upphov till tvivel om avtalens förenlighet med... reglerna om statligt stöd."
NRW har bestritt sina slutsatser i fråga om både lagstiftning och statligt stöd.
Det sade sig starkt tro att kontrakten var lagliga och sade att det hade juridisk rådgivning som stödde denna åsikt.
Det sade spridning av P Ranorum sjukdomen, som hände under det första året av NRW existens, gav upphov till exceptionella omständigheter.
Kevin Ingram av NRW sade: "Vi är besvikna över WAO: s resultat när det gäller aspekter av några långsiktiga försäljningskontrakt.
"Vi har dock en handlingsplan för att dra lärdom av detta för att säkerställa ännu starkare styrelseformer i framtiden."
Men han sade att revisionen och andra rapporter visade att "NRW är en välorganiserad och förvaltad organisation".
"Vi är glada att det har funnit vår finansiella rapportering är rättvis och korrekt", sade han.
Ordförande i församlingens kommitté för offentliga räkenskaper, konservativ AM Nick Ramsay, sade att han var "mycket oroad" av rapporten.
"Det är nu viktigt att Public Accounts Committee frågar tjänstemän från organet så fort som möjligt", sade han.
Frågan diskuterades i församlingens finansutskott på onsdag - ams frågade Wales Audit Office tjänstemän om varför revisorn generalen inte uppfyllde en lagstadgad tidsfrist för att rapportera om räkenskaperna den 23 december.
Revisorn har sagt att det var viktigt att slutföra utredningsprocessen.
Thomas berättade för AMs att det inte finns några möjligheter i den walesiska revisionslagstiftningen att skjuta upp datumen, till skillnad från Westminster-reglerna.
Han sade processen med att överväga juridisk rådgivning och kommentarer som mottagits "inbjudande innebär att du kommer att missa tidsfristen".
Plaid Cymru AM Simon Thomas, ordförande i finanskommittén, sade att den walesiska regeringen behövde ge en förklaring.
En talesman för den walesiska regeringen sade: "Vi kommer att arbeta med NRW för att ta itu med de frågor som tagits upp och för att säkerställa att det finns starkare styrningsarrangemang för framtiden."
En 10-årig affär av Natural Resources Wales för att sälja timmer till ett sågverk gjordes utan att andra företag tillåts att bjuda, Auditor General for Wales har sagt.