Велики князь Михаил, брат императора, был главным командиром полка ее мужа. Он увидел Наташу и влюбился.
Сначала никто не отнесся к этому серьезно, но Наталья Сергеевна оказалась женщиной честолюбивой. Не дававшей себя легко забыть, и все усилия уберечь великого князя от ее влияния оказались тщетны.


Он настоял на ее разводе, и молодой офицер согласился уступить свое место высокопоставленному сопернику. Это вызвало большие волнения в императорских кругах, так как до рождения наследника великий князь считался претендентом на престол.

Великого князя изолировали от предмета его любви, и он дал слово Императору, что никогда не женится на ней. Его перевели в маленький провинциальный город командовать местным полком, а она вернулась в свою семь в Москве, но это не помешало великому князю проводить все воскресные дни в московском доме ее родителей.

Ситуация приобрела довольно странный оборот. Отец Натальи, известный московский адвокат, игнорировал происхождение великого князя и обращался с ним как с простым смертным. Великий князь, который никогда не бывал в обществе обычных людей, наслаждался отсутствием дворцовых церемоний. Те, кто встречался с ним, находили его очень приятным человеком и удивлялись, как мало он знает о реальной жизни.

Но такие веши не проходят не замеченными для общества. Однажды в театре в Санкт-Петербурге Наталья Сергеевна встретила офицера из полка ее бывшего мужа, который откровенно заявил, что весь полк возмущен тем, что она является причиной снятия великого князя с должности командира и продолжает его компрометировать. Возвратясь в Москву, Наталья Сергеевна заявила великому князю, что не привыкла к такому обращению, не может продолжать вести такую ложную жизнь и настаивает на том, чтобы они расстались, Великий князь отвечал, что не может без нее жить и, хотя обещал Императору не жениться, скорее готов взять свои слова обратно, чем потерять ее. Наталья Сергеевна согласилась выйти за него замуж и, так как это было невозможно сделать России, они тайно уехали за границу и где-то в Вене обвенчались у сербского священника (1912). Когда это стало известно при дворе, то вызвало всеобщее волнение, и тот час было принято решение взять Михаила под опеку и не разрешать ему возвращаться в Россию.

К этому времени родился цесаревич и значение великого князя с точки наследования престола потеряло свою важность. Молодожены перебрались в Англию, где сняли дом недалеко от Лондона. Они были счастливы и всегда потом говорили, что эти годы в Англии, не отягощенные никами формальностями, были счастливейшими в их жизни.

Когда разразилась Первая мировая война, великий князь как патриот, находящийся в изгнании, умолял императора разрешить ему с семьей вернуться в Россию. Разрешение было дано. Братья помирились, опека была снята, и положение Натальи Сергеевны, которой был дарован титул графини Брасовой, легализовано.
Таким образом, волшебная история о дочери скромного адвоката, которая превратилась в невестку царя, обрела счастливое завершение. Чета поселилась в Гатчине, в 25 километрах от Санкт-Петербурга, во дворце Александра III, где великий князь провел свое детство. Вскоре он был назначен командиром «Дикой дивизии», названной затем из-за своего состава «Дикой кавказской», и отправился на фронт, но каждую свободную минуту проводил с Натальей Сергеевной.

Наталью Сергеевну он уговорил остаться в Гатчине. Она пыталась добиться возвращения Михаила, ездила для этого в Москву, даже встречалась с Лениным, но безуспешно. В это время ей удалось по фальшивым документам отправить сына в Данию.
Наталья дважды навещала мужа в Перми, а перед третьей поездкой узнала о его «исчезновении». Бросилась к Урицкому, обвинила его в убийстве «родного Миши», и её увезли в тюрьму. Через несколько месяцев симулировала сильную простуду, и её перевели в тюремную больницу, откуда она бежала с помощью дочери. С фальшивым паспортом, переодевшись медсестрой Красного Креста, достигла Киева. Вместе с дочерью через Одессу выехала из России.
Она жила в Париже в большой бедности, без денег. Сын Георгий (граф Брасов) погиб в возрасте 20 лет в автомобильной аварии 22 июля 1931 года в 150 км от Парижа.

В 1928 году Кирилл Владимирович пожаловал ей титул княгини Брасовой, а 28 июля 1935 года — светлейшей княгини Романовской-Брасовой.

Умерла от рака в благотворительной больнице Laennec в Париже 26 января 1952 года в полной нищете, и похоронена на парижском кладбище Пасси вместе со своим единственным сыном.