Natalia Gemperle slo for alvor gjennom i den ypperste verdenseliten i VM i Stömstad-Tanum i Sverige i 2016. Først tok hun en overraskende bronsemedalje på mellomdistansen bak hjemmefavoritten Tove Alexandersson og norske Heidi Østlid Bagstevold. På langdistansen to dager senere ledet Gemperle løpet, men måtte til slutt se seg slått av Alexandersson igjen og dermed nøye seg med sølv. På VMs siste dag var Gemperle med på å ta Russlands aller første VM-gull i stafett for kvinner. Hun løp tredje og siste etappe for det russiske vinnerlaget. Anastasia Rudnaya løp første etappe og Svetlana Mironova løp andre etappe, før Gemperle avgjorde stafetten til Russlands favør på den siste etappen. I VM i Latvia i 2018 ble Gemperle for første gang i hennes karriere verdensmester individuelt. 7. august 2018 vant hun VM mellomdistanse med ett minutt og tretti sekunders margin ned til finske Marika Teini. Gemperle var ankerkvinne på det russiske laget som tok bronsemedalje på stafetten på Latvia-VMs siste konkurransedag.