Плаванием начала заниматься в 9 лет в Тольятти, где её тренером была Галина Белова. Позже перебралась в Самару в спортивный клуб ВВС, где тренировалась у Елены Золотаревой.
В 2004 году стала серебряным призером Первенства Европы среди юниоров на двух дистанциях – 100 м и 200 м брассом (Лиссабон, Португалия).
В 2004 году завоевала бронзовую медаль на этапе Кубка мира на дистанции 100 м брассом (Москва).
В 2004 году ей присвоено спортивное звание «Мастер спорта России международного класса» по плаванию.
В 2005 году стала бронзовым призером этапа Кубка мира на дистанции 200 м в комплексном плавании (Москва).
В 2006 году завоевала серебряные медали этапов Кубка мира на дистанции 100 м вольным стилем.
В 2006 году стала чемпионкой России на дистанции 100 м вольным стилем и бронзовым призером на 200-метровке вольным стилем (Москва).
В 2011 году завоевала серебряную медаль чемпионата России на дистанции 100 м вольным стилем (Москва).
В 2012 году на чемпионате России завоевала 2 бронзовые медали на дистанциях 50 и 100 метров вольным стилем (Москва).
В 2012 году ну Кубке России в городе Руза стала дважды обладательницей серебра в заплывах на 50 и 100 метров вольным стилем.
На чемпионате Европы по плаванию на короткой воде 2015 года завоевала бронзовую медаль в эстафете 4×50 метров вольным стилем.
Наталья является обладательницей рекорда России на дистанции «баттерфляй – 50 м» (23.04.2015).