Наталя виступала за Україну у трьох змаганнях з плавання на літніх Олімпійських іграх у Пекіні 2008 року. Готуючись до Олімпійських ігор, вона підтвердила час B-стандарту FINA — 2:02.88 (200 метрів вільним стилем) на EDF Swimming Open у Парижі та 4:19.67 (400 метрів вільним стилем) на Універсіаді в Бангкоку, Таїланд. Наталія Худякова також об'єдналася із Дариною Степанюк, Катериною Дікіджі та Ганною Дзеркаль у естафеті 4 × 100 м вільним стилем.