У 2002. години освојила је Европско првенство у дворани у Бечу, а затим са штафетом (Антјух, Назарова, Капачинска, Зикина) на Европском првенству у Минхену сребро. На Светском првенству у дворани 2003., са штафетом (Антјух, Печонкина, Зикина, Назарова) постала је светска првакиња. Наталија Антјух је први пут у каријери успела трчати 400 метара испод 50 секунди 31. јула Тули постигавши 49,85. На Летњим олимпијским играма 2004. у Атини отишла је као фаворит за освајања медаљљ. У појединачној конкуренцији била је трећа иза победнице са Бахама Тоник Вилијамс-Дарлинг и Мексиканке Ане Гевара резултатом 49,89 који је приближан њеном личном рекорду. У трци штафета освојила је сребрну медаљу иза штафете САД. Накнадно је штафета САД дисквалификована јер је њихова чланица Кристал Кокс била позитивна да допинг тесту па је златна медаља припала руској штафети. Састав штафете олимпијских победница у финалу је био:Красномовец, Назарева, Зикина, Антјух.