W marcu 1917 Mikołaj II abdykował na korzyść Michała, ale ten odmówił przyjęcia korony, dopóki nie pozna woli swoich poddanych. Po rewolucji Michał razem z rodziną został umieszczony w areszcie domowym w Gatczynie, następnie przeniesiono go do miasta Perm. Udało mu się wysłać Jerzego i Tatę do rodziny swojej matki, do Danii. Natalia również opuściła Rosję na rozkaz męża i udała się do Londynu, używając duńskiego paszportu. W lipcu 1918 w Permie Michał został zamordowany przez CzeKa.
Emigracja Początkowo żyła z dziećmi w Wielkiej Brytanii, potem przeniosła się do Francji. Na emigracji w 1928 uzyskała tytuł księżnej Romanow-Brasow.
W latach 20. i 30. Natalia próbowała sądownie dochodzić swoich praw do dawnego majątku Romanowów w Polsce, m.in. wystąpiła z roszczeniem dotyczącym tzw. Domu Księcia i „willi generalskiej” w Częstochowie. Do procesu jednak nie doszło, bo nie było jej stać na wpłacenie wadium.
Natalia zmarła na raka w Paryżu 26 stycznia 1952 w strasznej biedzie. Została pochowana na Cimetière de Passy, obok syna Jerzego, który zginął w wypadku samochodowym 21 lipca 1931 w wieku 20 lat.