Ha giocato il primo torneo LPGA all'età di 14 anni, a 18 anni è diventata professionista dopo aver giocato per un anno nella squadra di golf femminile dell'università dell'Arizona.
Pur non avendo vinto nessun torneo del circuito LPGA nei suoi primi cinque anni di carriera, ha chiuso al sesto posto nella graduatoria dei premi vinti nel 2005 con più di un milione di dollari guadagnati; ha fatto inoltre parte della squadra americana che ha vinto la Solheim Cup.
La sua prima vittoria da professionista è datata 2007 all'Evian Masters dove ha sconfitto nello spareggio Jeong Jang.
Natalie è considerata un sex-symbol nell'ambiente LPGA; nel 2004, prima del U.S. Women's Open, uscì il suo calendario 2005 in cui erano presenti sia scatti nell'ambiente golfistico, sia fotografie in costume da bagno, l'associazione americana di golf vietò la vendita del calendario durante l'evento.
Nel Novembre 2004 Natalie ha posato per FHM in un numero che prevedeva un concorso il cui premio era un "giro" con la Gulbis sul percorso di casa a Las Vegas.
Dal 2006 collabora con FHM tenendo una rubrica di consigli per golfisti; nel 2007 è apparsa sulla copertina di Sactown Magazine in rappresentanza di un articolo che parlava delle star dello sport che non avevano ancora vinto un titolo professionistico, una delle frasi dell'articolo era: "Dovesse cominciare a vincere, diventerebbe una megastar!", ironia della sorte: pochi giorni dopo Natalie ha conquistato il primo titolo all'Evian Master.