Когда Наталье было восемь лет, мама предложила выбрать между музыкальной и спортивной карьерой.
В 1991 году в возрасте 10 лет Наталья Антюх стала тренироваться у детского тренера Вадима Платоновича Пинчука. Тренер увидел ее на первенстве района и сразу же решил, что спортсменка будет заниматься у него. Вначале Вадим Пинчук занимался у Натальей по системе многоборья, затем она стала тренироваться на 100 метрах с барьерами и в этой дисциплине стала чемпионкой России. Затем была выбрана новая дисциплина — 400 метров с барьерами и в ней в 1998 году Наталья Антюх стала победителем первых всемирных юношеских игр под эгидой Международного олимпийского комитета. Вадим Пинчук передал Наталью Антюх другому тренеру, когда той исполнился 21 год. Сама спортсменка высказывала благодарность детскому тренеру Вадиму Пинчуку за то, что они занимались с ней и смогли заложить все нужные навыки и желание заниматься спортом. Наталья Антюх считает, что ее достижения — это и их заслуга.
Тренировалась под руководством Екатерины Куликовой, благодаря которой на Олимпийских играх 2004 в Афинах она стала бронзовым призёром в забеге на 400 м и выиграла серебряную медаль в эстафете 4×400 м. Однако спустя 6 лет, 16 марта 2010 года, совет Международной ассоциации легкоатлетических федераций в Дохе анонсировал дисквалификацию американской эстафетной команды, поскольку член американской эстафетной команды Кристал Кокс призналась в употреблении допинга в 2001—2004 гг. (МОК в 2012 году лишил Кокс золотой медали в той эстафете). Встал вопрос о лишении золотых наград в той эстафете всей американской команды и перераспределении медалей со вручением золота сборной России, однако ИААФ, от которой это зависело, такого решения не приняла.
У Натальи Антюх есть младший брат Кирилл (р. 1986), тоже спортсмен. В 2005 году умерла их мать, что стало для спортсменки большим ударом. После этого в её жизни последовала череда неудач, и многие спортивные аналитики поставили под сомнение её спортивное будущее. Отец с которым у семьи были напряженные отношения позже тоже умер.
На ЧМ 2005 в Хельсинки Наталья Антюх не смогла пробиться в финал на дистанции 400 м, но выиграла золотую медаль в составе российской эстафеты 4×400 м.
Сезон 2006/2007 Антюх практически пропустила, отдыхала и готовилась к новым стартам. На отборочном к олимпийским играм чемпионате России в Казани Наталья за несколько метров до финиша четырёхсотметровки упала и потеряла шансы на поездку в Пекин 2008. После чего она долго лечилась у психолога.
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.
Выступает за два российских региона: Санкт-Петербург и Москву. В МВД числится как инструктор по спорту I категории спортивной команды при управлении Северо-Западного регионального командования внутренних войск МВД России. После Олимпиады 2012 г. повышена в звании до старшего лейтенанта.
По собственному признанию собиралась покинуть спорт в 2012 году после Лондонской Олимпиады, но став чемпионкой решила подождать до чемпионата по легкой атлетике в 2013, который состоится в Москве. По её словам у неё было две цели, стать чемпионкой и побить мировой рекорд. Добившись первой цели она решила добиться и второй, поэтому передумала завершать карьеру. На Чемпионате мира 2013 года на дистанции 400 метров с барьерами Антюх не смогла преодолеть квалификацию и пробиться в финал соревнований.
Объявила о завершении карьеры в феврале 2017 г.
15.01.2019 назначена председателем Комитета по физической культуре и спорту Санкт-Петербурга.
В январе 2020 года Наталья Николаевна покинула занимаемую должность в комитета по физической культуре и спорту города Санкт-Петербург и с 11 февраля 2020 года Антюх является руководителем Санкт-Петербургского государственного бюджетного профессионального образовательного учреждения «Училище Олимпийского резерва №1».
Действительный государственный советник 3-го класса.
