Первый раз девушка влюбилась в студенческие годы в Бориса Андроникашвили, который был актёром и сценаристом. Молодые люди полюбили друг друга и планировали пожениться, но мать Бориса, Кира Георгиевна, была против такого союза. Мать для Бориса была большим авторитетом, поэтому отношения артистов не сложились. В дальнейшем Андроникашвили женился на актрисе Людмиле Гурченко.
Первым официальным супругом Натальи стал Народный артист и режиссёр Яков Сегель, который был старше актрисы на 14 лет. Познакомились артисты на киностудии. Несмотря на то, что Наталья не питала никаких чувств к Якову, она приняла его предложение. Свадьбу артисты отмечали на даче.
После официального оформления отношений Яков показал себя не с лучшей стороны – начал ревновать Наталью ко всем знакомым мужчинам. Актриса не смогла выдержать патологической ревности мужа и через три месяца брака подала на развод. Свой первый брак артистка считает глупостью, сделанной по молодости и неопытности.
После развода с первым мужем у Натальи в течение двух лет был роман с Александром Фадеевым, который на тот момент был студентом ГИТИСа. Но красивый и любвеобильный молодой человек не собирался жениться на Наталье. Эти отношения принесли артистке немало счастья, но также и мучений, так как Александр продолжал встречаться с другими женщинами.
Вскоре преклонение Натальи надоело Фадееву. Неожиданно он разорвал с ней отношения и женился на другой актрисе. Такой поворот событий стал для артистки тяжёлым ударом. Чтобы поднять свою самооценку, Наталья Сергеевна приняла ухаживания актёра Владимира Андреева. Благодаря ему артистка перешла работать в театр Ермоловой.
В течение семи лет актёры проживали в фактическом браке вместе с родителями Натальи. Актриса знала об изменах мужа, но считала это чем-то серьезным. В 1968 году, когда артисты получили квартиру, они поженились. Но уже через месяц Владимир и Наталья разорвали отношения, и актёр ушёл к коллеге по съёмочной площадке Наталье Селезнёвой.
После второго развода Наталья Сергеевна непродолжительное время была в отношениях с бывшим возлюбленным Борисом Андроникашвили, который сделал актрисе предложение. Но Наталья отказалась его принять, так как былые чувства артистки уже прошли.
Третьим мужем актрисы стал французский журналист с русскими корнями Влад Вишневски. Познакомились они в ресторане на праздновании дня рождения общего знакомого. На тот момент Влад был женат, но ради Натальи он ушёл из семьи.
Брак с корреспондентом «Франс Пресс» у актрисы был счастливым, но всё разрушила болезнь Влада. Врачи поставили журналисту диагноз – болезнь Альцгеймера. В течение десяти лет Наталья Сергеевна ухаживала за мужем и успевала работать в театре и кино. В 69 лет супруг актрисы скончался.
Сегодня Наталья Сергеевна ведёт скромный и замкнутый образ жизни, продолжая работать в театре Ермоловой. В кино актриса не снимается уже более 15 лет.