En 2002, Natalya Antyukh remporte le 400 mètres des Championnats d'Europe en salle de Vienne, en Autriche, puis s'impose en finale du relais 4 × 400 m des Championnats d'Europe de Munich. Aux Championnats du monde en salle 2003 de Birmingham, la Russe décroche le titre mondial du relais 4 × 400 m aux côtés de ses compatriotes Yuliya Pechonkina, Olesya Zykina et Natalya Nazarova. Antyukh descend pour la première fois de sa carrière sous les 50 secondes au 400 m le en s'imposant lors du meeting de Toula dans le temps de 49 s 85. Figurant parmi les favorites des Jeux olympiques d'Athènes, elle se classe troisième de la course individuelle et se rapproche de son record personnel (49 s 89). Elle décroche une nouvelle médaille lors de ces Jeux en terminant deuxième du relais 4 × 400 m, derrière l'équipe des États-Unis. Vainqueur de la Coupe d'Europe 2005, elle remporte la finale du relais 4 × 400 m des Championnats du monde d'Helsinki en compagnie de Yuliya Pechonkina, Olesya Krasnomovets et Svetlana Pospelova. L'équipe de Russie établit le temps de 3 min 20 s 95 et devance finalement la Jamaïque et le Royaume-Uni.