2013 – золотая медаль на Спартакиаде учащихся в гонке на 5 км
2013 – золотая медаль на Спартакиаде учащихся в масс-старте на 10 км
2013 – золотая медаль на Спартакиаде учащихся в спринте на 1,4
2013 – серебряная медаль на первенстве России по лыжным гонкам среди юниоров
2014 – бронзовая медаль на чемпионате России в эстафете
2017 – бронзовая медаль на международных стартах в Швеции в гонке на 10 км
2017 – серебряная медаль на Кубке мира в Финляндии в спринте
2018 – бронзовая медаль на Кубке мира в Швейцарии в спринте
2018 – серебряная медаль на Кубке мира в Швейцарии в скиатлоне на 15 км
2019 – бронзовая медаль на чемпионате Мира в скиатлоне
2019 – бронзовая медаль на чемпионате Мира в эстафете
2019 – золотая медаль на чемпионате Мира по роликовым лыжам в гонке на 10 км
2021 – серебряная медаль на чемпионате Мира в эстафете
2021 – золотая медаль на Кубке мира в эстафете 4х5 км
2022 – победа в общем зачете многодневки «Тур де Ски»
2022 – серебряная медаль на Олимпийских играх—2022 в скиатлоне
2022 – золотая медаль на Олимпийских играх—2022 в эстафете
Воспитанница тверского спорта, занималась лыжным спортом с семи лет под руководством матери — Ирины Непряевой, и Александра Васильевича Смирнова. На внутренних соревнованиях ранее представляла Тверскую и Московскую области и Центр олимпийских видов спорта Московской области, с 2019 года — Архангельскую область. В национальной сборной тренируется в команде известного тренера Юрия Бородавко.
Призёр юношеского чемпионата мира 2013 года, обладательница полного комплекта наград Европейского юношеского Олимпийского фестиваля 2013 года, победительница чемпионата мира среди юниоров 2014 года. Неоднократная чемпионка и призёр первенств России среди юниоров и молодёжи, победительница и призёр Всероссийской Спартакиады учащихся.
На чемпионате России 2014 года стала бронзовым призёром в эстафете в составе сборной Московской области. В дальнейшем на национальных чемпионатах завоёвывала серебро (2015, 2016 — эстафета; 2017 — 30 км масс-старт) и бронзу (2017 — командный спринт).
С 2014 года выступает за сборную России. В ноябре 2016 года показала 20-й результат на этапе Кубка мира в финской Рука, что было лучшим результатом спортсменки до 2018 года. В 2018 году на первом этапе «Тур де Ски» в спринте заняла четвёртое место. По итогам Тур де Ски 2017/2018 стала пятой в спринтерском зачёте, а в общем зачёте — 11-й. В Кубке мира 2017/18 по состоянию на январь 2018 года лидирует в зачёте среди спортсменов до 23 лет.
На Зимней Олимпиаде 2018, в первой гонке в скиатлоне, Наталья практически всю гонку оставалась в лидирующей группе, однако на финишных километрах не смогла удержаться за фаворитами и в итоге заняла восьмое место, уступив победительнице Шарлотте Калла 33 секунды. В эстафете 4х5 км, на Зимней Олимпиаде 2018, Наталья Непряева, вместе с Юлией Белоруковой, Анастасией Седовой и Анной Нечаевской, завоевала бронзовую медаль.
15 мая 2019 года подписала соглашение с генеральным директором Группы компаний УЛК Владимиром Буториным о том, что с 1 июня 2019 года на всероссийских соревнованиях будет представлять Архангельскую область.
В январе 2022 года Наталья впервые среди российских лыжниц выиграла общий зачет многодневной гонки «Тур де Ски» 2021/2022.
На XXIV зимних Олимпийских играх в феврале 2022 года в Пекине, Наталья на дистанции женского скиатлона завоевала олимпийскую серебряную медаль, финишировав с отставанием от победительницы Терезы Йохауг 30,2 секунды.