Największy sukces w karierze Natalja Mielochina osiągnęła w 1989 roku, kiedy wspólnie z Nadieżdą Kibardiną, Tamarą Polakową i Laimą Zilporytė zdobyła złoty medal w drużynowej jeździe na czas na mistrzostwach świata w Chambéry. Na rozgrywanych rok później mistrzostwach świata w Utsunomiya reprezentacja ZSRR w składzie: Natalja Mielochina,