В 2010 году Наталья решила последовать примеру Ирины Приваловой и сменить гладкий бег на бег с барьерами. Эксперимент тренерами сборной был признан успешным. Наталья выиграла Чемпионат России 2010 в этой дисциплине, а на чемпионате Европы 2010 года в Барселоне выиграла, показав лучший результат сезона в Европe и более чем на секунду улучшив личный рекорд — 52.92. В барьерном беге Наталья побеждала ещё на Всемирных юношеских Играх в Москве ещё в 1998 г., но после этого ушла в гладкий бег: её тренер в то время — Юрий Анисимов — настоял. Затем спортсменка начала работать с Екатериной Куликовой, под руководством которой и стала чемпионкой Европы 2010. На Олимпийских играх в Лондоне 8 августа 2012 года стала олимпийской чемпионкой в беге на дистанции 400 метров с барьерами..