หลังจากเสกสมรสได้มินาน พระองค์และพระราชสวามีทรงมีความขุ่นข้องหมองพระราชหฤทัยกันบ่อยครั้ง จนนำไปสู่การหย่าร้างในวันที่ 6 มีนาคม พ.ศ. 2432 ซึ่งเป็นวันครบรอบการเป็นสมเด็จพระราชินีแห่งเซอร์เบียของพระองค์ครบ 7 ปี แต่ถึงกระนั้นพระราชสวามีก็มิได้เสกสมรสใหม่ ต่อมา เมื่อวันที่ 11 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2444 พระเจ้ามิลานที่ 1 แห่งเซอร์เบีย เสด็จสวรรคตลง พระราชโอรสพระองค์ใหญ่ เสด็จขึ้นครองราชย์

สมเด็จพระราชินีนาตาลีแห่งเซอร์เบีย เสด็จสวรรคตลงเมื่อวันที่ 8 พฤษภาคม พ.ศ. 2484 ซึ่งเป็นก่อนวันครบรอบพระชนมายุ 82 พรรษา เพียง 6 วัน ด้วยโรคพระชรา