В 2005 году состоялся дебют Наталии в национальной сборной Бразилии, сразу принесший 16-летней волейболистке успех в виде выигранного Всемирного Кубка чемпионов. С 2007 Наталия практически неизменно выступает за главную команду страны, выиграв в её составе более десятка золотых наград на официальных соревнованиях континентального и мирового уровня, в том числе «золото» Олимпиады-2012, Гран-при (четырежды), чемпионата Южной Америки (5 раз). Дважды подряд Наталия признавалась лучшим игроком финальной стадии Гран-при — в 2016 и 2017 годах. С 2017 — капитан сборной.