Bei der Bahn-WM 2003 in Stuttgart konnte Natalja Zilinskaja ihre Goldmedaille über 500 Meter (wie auch 2005 und 2006) verteidigen, im Sprint errang sie Silber; 2006 zudem erneut die WM-Goldmedaille im Sprint. 2004 gewann sie ihre einzige Medaille bei Olympischen Spielen mit einem dritten Platz im Zeitfahren. Auch bei Rennen des Bahnrad-Weltcups belegte sie immer vordere Plätze.