Faits:
A. A._, ressortissante marocaine née en 1971, est arrivée en Suisse en juillet 1997 comme "artiste de cabaret". Le 27 février 1998, elle a épousé B._, ressortissant suisse né en 1966.
Le 23 septembre 2002, A._ a déposé une demande de naturalisation facilitée fondée sur son mariage avec B._. Les époux ont contresigné, le 20 mai 2004, une déclaration écrite aux termes de laquelle ils confirmaient vivre en communauté conjugale effective et stable, résider à la même adresse et n'envisager ni séparation ni divorce. L'attention de la requérante a en outre été attirée sur le fait que la naturalisation facilitée ne pouvait être octroyée lorsque, avant ou pendant la procédure de naturalisation, l'un des conjoints demandait le divorce ou la séparation ou que la communauté conjugale effective n'existait pas. Si cet état de fait était dissimulé, la naturalisation facilitée pouvait être annulée dans les cinq ans. Par décision du 14 juin 2004, l'office fédéral compétent a accordé la naturalisation facilitée à A._, lui conférant ainsi le droit de cité de son mari.
B. Le 5 juillet 2005, les époux A._ et B._ ont déposé une requête commune de divorce, dans laquelle ils indiquaient notamment avoir connu des difficultés conjugales au début de l'année 2005. Le divorce a été prononcé le 17 novembre 2005. Le 1er septembre 2006, A._ s'est remariée avec un ressortissant marocain. Le 6 décembre 2006, ces faits ont été portés à la connaissance de l'Office fédéral des migrations (ci-après: l'ODM), qui a invité A._ à se déterminer. Celle-ci a expliqué en substance que des problèmes conjugaux étaient survenus au début de l'année 2005 et que son époux avait finalement décidé unilatéralement de divorcer. Elle indiquait que leur union était effective et stable jusque-là, et qu'elle était même enceinte des oeuvres de son époux à la fin de l'année 2004. B._ a déclaré être responsable des problèmes rencontrés par le couple, notamment en raison d'une relation extra-conjugale qu'il avait entretenue dès la fin décembre 2004. A._ s'est déterminée sur ces éléments. Interpellé par l'ODM, un médecin consulté par la prénommée a indiqué qu'elle était enceinte de sept semaines le 24 janvier 2005, qu'elle ne mentionnait aucune déception par rapport à ce fait et que cette grossesse s'était terminée par une fausse-couche. Ont également été versées au dossier des pièces médicales relatives à B._ et faisant état d'une débilité mentale légère, accompagnée d'un état dépressif réactionnel et de troubles affectifs, affections qui sont à l'origine de l'octroi d'une rente invalidité.
Par décision du 14 mai 2009, l'ODM a prononcé l'annulation de la naturalisation facilitée, avec l'assentiment des autorités compétentes du canton de Neuchâtel. Il a considéré que "l'enchaînement logique et rapide des faits" depuis l'arrivée de A._ en Suisse fondait une présomption d'obtention frauduleuse de la naturalisation, présomption que l'intéressée n'était pas parvenue à renverser.
C. A._ a recouru contre l'annulation de sa naturalisation facilitée auprès du Tribunal administratif fédéral, qui a rejeté son recours par arrêt du 15 février 2011. Cette autorité a confirmé que l'enchaînement rapide des événements fondait la présomption que la naturalisation avait été obtenue de manière frauduleuse. L'intéressée n'avait pas pu rendre plausible la survenance d'un événement extraordinaire permettant d'expliquer la dégradation rapide du lien conjugal et elle n'était pas parvenue à renverser la présomption susmentionnée.
D. A._ recourt contre cet arrêt auprès du Tribunal fédéral en lui demandant de l'annuler et de dire qu'il y a lieu de maintenir la naturalisation facilitée, subsidiairement de renvoyer la cause au Tribunal administratif fédéral pour nouvelle décision. Elle se plaint d'arbitraire et d'une violation des art. 27 et 41 de la loi fédérale du 29 septembre 1952 sur l'acquisition et la perte de la nationalité suisse (LN; RS 141.0). Elle requiert en outre l'octroi de l'effet suspensif. Le Tribunal administratif fédéral et l'ODM ont renoncé à se déterminer.
E. Par ordonnance du 6 mai 2011, le Président de la Ire Cour de droit public a admis la requête d'effet suspensif.
Considérant en droit:
1. L'arrêt attaqué émane du Tribunal administratif fédéral et concerne l'annulation de la naturalisation facilitée accordée à la recourante, si bien qu'il peut faire l'objet d'un recours en matière de droit public (art. 82 let. a et 86 al. 1 let. a LTF). Le motif d'exclusion de l'art. 83 let. b LTF n'entre pas en ligne de compte, dès lors qu'il s'agit en l'espèce de naturalisation facilitée et non pas de naturalisation ordinaire. Pour le surplus, la recourante possède la qualité pour recourir au sens de l'art. 89 al. 1 LTF et les conditions formelles de recevabilité sont remplies, de sorte qu'il y a lieu d'entrer en matière.
2. Invoquant une violation des art. 27 et 41 LN, la recourante reproche aux juges précédents d'avoir abusé de leur pouvoir d'appréciation en remettant en question la communauté conjugale qu'elle formait avec son époux au moment de l'octroi de la naturalisation.
2.1 L'art. 27 LN permet à un étranger d'obtenir la naturalisation facilitée en raison de son mariage avec un ressortissant suisse, à certaines conditions. Conformément à l'art. 41 al. 1 LN dans sa teneur jusqu'au 1er mars 2011 et à l'art. 14 al. 1 de l'ordonnance du 17 novembre 1999 sur l'organisation du Département fédéral de justice et police (RS 172.213.1), l'ODM peut, avec l'assentiment de l'autorité du canton d'origine, annuler dans les cinq ans une naturalisation facilitée obtenue par des déclarations mensongères ou par la dissimulation de faits essentiels. Pour qu'une naturalisation facilitée soit annulée, il ne suffit pas qu'elle ait été obtenue alors que l'une ou l'autre de ses conditions n'était pas remplie; il faut qu'elle ait été acquise grâce à un comportement déloyal et trompeur. S'il n'est pas besoin que ce comportement soit constitutif d'une escroquerie au sens du droit pénal, il est nécessaire que l'intéressé ait donné sciemment de fausses informations à l'autorité ou l'ait délibérément laissée dans l'erreur sur des faits qu'il savait essentiels (ATF 135 II 161 consid. 2 p. 165; 132 II 113 consid. 3.1 p. 115 et les références). Tel est notamment le cas si le requérant déclare vivre en communauté stable avec son conjoint alors qu'il envisage de se séparer une fois obtenue la naturalisation facilitée; peu importe que son mariage se soit ou non déroulé jusqu'ici de manière harmonieuse (arrêt 1C_272/2009 du 8 septembre 2009 consid. 3.1).
2.2 La nature potestative de l'art. 41 al. 1 LN confère une certaine latitude à l'autorité. Dans l'exercice de cette liberté, celle-ci doit s'abstenir de tout abus; commet un abus de son pouvoir d'appréciation l'autorité qui se fonde sur des critères inappropriés, ne tient pas compte de circonstances pertinentes ou rend une décision arbitraire, contraire au but de la loi ou au principe de la proportionnalité (ATF 129 III 400 consid. 3.1 p. 115; 123 III 274 consid. 1a/cc p. 279; 116 V 307 consid. 2 p. 310 et les références).
La procédure administrative fédérale est régie par le principe de la libre appréciation des preuves (art. 40 de la loi fédérale de procédure civile fédérale du 4 décembre 1947 [PCF; RS 273], applicable par renvoi de l'art. 19 de la loi fédérale du 20 décembre 1968 sur la procédure administrative [PA; RS 172.021]). Ce principe vaut également devant le Tribunal administratif fédéral (art. 37 LTAF). L'administration supporte le fardeau de la preuve lorsque la décision intervient, comme en l'espèce, au détriment de l'administré. Cela étant, la jurisprudence admet dans certaines circonstances que l'autorité puisse se fonder sur une présomption. C'est notamment le cas pour établir que le conjoint naturalisé a menti lorsqu'il a déclaré former une union stable, dans la mesure où il s'agit d'un fait psychique, lié à des éléments relevant de la sphère intime, souvent inconnus de l'administration et difficiles à prouver (ATF 135 II 161 consid. 3 p. 166). Partant, si l'enchaînement rapide des événements fonde la présomption de fait que la naturalisation a été obtenue frauduleusement, il incombe alors à l'administré, en raison non seulement de son devoir de collaborer à l'établissement des faits (art. 13 al. 1 let. a PA; cf. ATF 132 II 113 consid. 3.2 p. 115), mais encore dans son propre intérêt, de renverser cette présomption (ATF 130 II 482 consid. 3.2 p. 485 s.).
S'agissant d'une présomption de fait, qui ressortit à l'appréciation des preuves et ne modifie pas le fardeau de la preuve (ATF 135 II 161 consid. 3 p. 166 et les références), l'administré n'a pas besoin, pour la renverser, de rapporter la preuve contraire du fait présumé, à savoir faire acquérir à l'autorité la certitude qu'il n'a pas menti; il suffit qu'il parvienne à faire admettre l'existence d'une possibilité raisonnable qu'il n'a pas menti en déclarant former une communauté stable avec son conjoint. Il peut le faire en rendant vraisemblable, soit la survenance d'un événement extraordinaire susceptible d'expliquer une détérioration rapide du lien conjugal, soit l'absence de conscience de la gravité de ses problèmes de couple au moment de la signature de la déclaration commune (ATF 135 II 161 consid. 3 p. 166; arrêt 1C_199/2008 du 8 juillet 2009 consid. 3.2 et les références).
2.3 Selon la jurisprudence, une présomption de fait selon laquelle la communauté conjugale n'était pas stable lors de l'octroi de la naturalisation peut être admise si la séparation des époux intervient quelques mois plus tard (cf. ATF 135 II 161 consid. 4.3 p. 168; 130 II 482 consid. 3.3 p. 486 s.). En l'occurrence, la naturalisation facilitée a été octroyée le 14 juin 2004 et une requête commune de divorce a été introduite le 5 juillet 2005. Il n'apparaît pas que les époux se soient séparés avant juillet 2005. Cela étant, il ressort du dossier que les difficultés conjugales ayant conduit au dépôt d'une demande de divorce ont débuté en janvier 2005, l'intéressée ayant déclaré que le couple s'était alors donné cinq à six mois pour déterminer si la crise qu'il traversait était passagère ou durable. Il s'est donc écoulé environ six mois entre l'octroi de la naturalisation et le début des difficultés conjugales ayant conduit à la séparation, et treize mois entre la naturalisation et l'introduction de la procédure de divorce.
Ce laps de temps n'est pas particulièrement court, mais l'enchaînement des événements depuis l'arrivée de la recourante en Suisse peut éveiller certains doutes quant à une obtention frauduleuse de la naturalisation. L'intéressée est en effet arrivée en juillet 1997 comme "artiste de cabaret" et elle a épousé quelques mois plus tard un ressortissant suisse atteint notamment d'une débilité mentale légère. Malgré ce mariage, elle a continué son activité d'"artiste de cabaret", dans des lieux éloignés du domicile conjugal, jusqu'en juin 2000. Elle a ensuite requis la naturalisation facilitée à la fin de l'année 2002 et elle l'a obtenue en juin 2004, six mois avant le début des difficultés ayant conduit à la séparation du couple. Le divorce a été prononcé le 17 novembre 2005 et elle s'est remariée le 1er septembre 2006 avec un ressortissant marocain qu'elle aurait rencontré en décembre 2005. Dans ces circonstances, compte tenu de l'ensemble de ces éléments et de leur enchaînement chronologique, la présomption susmentionnée peut encore être admise.
2.4 La recourante tente de renverser cette présomption en insistant sur la stabilité de l'union conjugale jusqu'au début 2005, ce que démontrerait la grossesse de sept semaines constatée le 24 janvier 2005. Cet élément n'est cependant pas à lui seul décisif pour établir l'existence d'une communauté conjugale stable et tournée vers l'avenir, ce d'autant moins qu'on ne peut pas prouver que l'époux de la recourante était bien à l'origine de cette grossesse. La recourante reproche par ailleurs à l'instance précédente d'avoir pris en considération son activité d'"artiste de cabaret" jusqu'en juin 2000. Il est vrai que cet élément n'est pas pertinent pour juger de la stabilité de l'union conjugale au moment de la naturalisation. Il apporte néanmoins un éclairage sur la personnalité de l'intéressée, qui a continué à oeuvrer dans des cabarets après son mariage et qui n'a mentionné le prolongement de cette activité que dans la procédure d'annulation de la naturalisation. Ce comportement justifie de faire preuve d'une certaine prudence dans l'appréciation des explications données dans le cadre de la présente procédure. La recourante reproche ensuite au Tribunal administratif fédéral d'avoir mis en doute les déclarations de son ex-époux quant à la relation extra-conjugale qui aurait provoqué leur rupture. L'autorité intimée avait cependant des raisons fondées de prendre ces explications avec retenue, puisque ni la recourante ni son ex-époux n'avaient fait état de cette relation dans leurs premières déterminations, ce qui est étonnant vu le caractère prétendument décisif de cet événement. En définitive, la recourante n'apporte aucun élément susceptible de renverser la présomption susmentionnée. Dans ces conditions, l'annulation de la naturalisation facilitée ne viole pas les art. 27 et 41 LN et elle ne procède pas d'une appréciation des preuves erronée ou arbitraire.
3. Il s'ensuit que le recours doit être rejeté. La recourante, qui succombe, doit supporter les frais de la présente procédure (art. 66 al. 1 LTF).
Par ces motifs, le Tribunal fédéral prononce:
1. Le recours est rejeté.
2. Les frais judiciaires, arrêtés à 2'000 fr., sont mis à la charge de la recourante.
3. Le présent arrêt est communiqué au mandataire de la recourante, à l'Office fédéral des migrations et au Tribunal administratif fédéral, Cour III.
Lausanne, le 25 octobre 2011
Au nom de la Ire Cour de droit public
du Tribunal fédéral suisse
Le Président: Fonjallaz
Le Greffier: Rittener