Первым взрослым соревнованием Натальи был чемпионат Европы в помещении в 2002 году в Вене. На дистанции 400 метров Иванова установила личный рекорд, но стала 4-й, уступив всего 0,05 секунды бронзовой призёрше из Ирландии Карен Шинкинс. В 2003 Наталья победила на молодёжном чемпионате Европы в эстафете 4×400 метров. На Олимпийских играх в Афинах она вместе с Олесей Красномовец, Татьяной Фировой и Олесей Зыкиной участвовала в полуфинальном забеге в эстафете 4×400 метров. Девушки заняли первое место, но в финале Наталью Иванову и Татьяну Фирову заменили на Наталью Назарову и Наталью Антюх. Россиянки выиграли серебряные медали, уступив сборной США.