Natalya Antyukh remporte un second titre mondial en salle dans l'épreuve du relais 4 × 400 m lors des Championnats du monde en salle de Moscou. L'équipe de Russie, composée par ailleurs de Tatyana Levina, Natalya Nazarova et Olesya Krasnomovets, s'impose en 3 min 24 s 91 devant les États-Unis. Elle établit le temps de 49 s 93 en demi-finale des Championnats du monde d'Osaka, réalisant son meilleur tour de piste depuis 2004. Elle se classe sixième de la finale en 50 s 33. En 2009, Antioukh réalise 54 s 00 lors du 400 mètres haies du meeting Golden Gala de Rome. Qualifiée dans cette épreuve pour les Championnats du monde de Berlin, elle termine sixième de la finale dans le temps de 54 s 11.