Начало карьеры было положено в 2000 году, когда Наташа впервые приехала в Москву и попала на конкурс миланского модельного агентства Why Not. Участницей престижного конкурса Наталья оказалась не случайно: в столицу ее отправила Елена Торопова, директор модельного агентства в Перми. Конкурс назывался New Model Today и проходил он по всему миру до 2002 года. В свое время победительницей в этом состязании красоты была Шарлиз Терон. Девушка из Перми, в то время еще Наталья Полевщикова, заняла почетное второе место, уступив победу Ксении Стом. Призовое место в миланском конкурсе красоты внесло в жизнь юной Наташи существенные коррективы. Ей приходилось совмещать учебу в школе и съемки для второй линии Alberta Ferretti, Philosophy в Милане, работу в столицах Японии и Франции. К 18 годам Поли подписала контракт с Women Management — миланским отделением модельного агентства в Нью-Йорке, с которым она успешно сотрудничает до сих пор. В 2004 году Наталья вышла на подиум, показ Emanuel Ungaro и презентация второй линии одежды Yamamoto, стали ее дебютом. Далее последовали показ за показом, в их числе неделя, где Наталья представляла Anne Valerie Hash. Спустя год популярность Наташи Поли значительно возросла, равно как и количество показов, в которых она принимала участие.
Модель представляла знаменитые бренды: Proenza Schouler, , Barbara Bui и Ann Demeulemeester. В конце сезона Поли подписала свой первый контракт с брендом Alberta Ferretti. Фотографии красавицы, которая с детства мечтала быть лучше всех, украшали множество уважаемых популярных журналов. Наталья появилась на страницах модных печатных изданий Vogue, Glamour и W. Из простой модели Наташа довольно быстро превратилась в знаменитость, которой пророчили большое будущее. Поли заинтересовались многие именитые марки. Прошло совсем немного времени, как она стала представлять бренды Chanel, Gianfranco Ferre, Christian Lacroix, , рекламировать коллекции Louis Vuitton, La Perla, Missoni, , Jil Sander и многие другие.
Новой и весьма успешной ступенью в карьере стало приглашение престижного бельевого бренда Victoria’s Secret. Благодаря работе с маркой и частым трансляциям по телевидению известность Натальи достигла своего апогея. Небольшой казус в 2005 году на самом первом для модели шоу Victoria’s Secret, когда Наталья во время дефиле потеряла одну туфельку, мог бы стать для девушки роковым. Однако Поли очень умело вышла из этой ситуации, продолжая, как ни в чем не бывало, идти по подиуму в одной туфельке на 15-сантиметровой шпильке. Этот случай подтвердил ее невероятное самообладание и высокий профессионализм как модели. Интересный романтичный образ, непосредственность вкупе с точностью и невероятной работоспособностью сделали Наташу любимицей многих модных Домов и одной из самых востребованных моделей.
В 2010 году Наташа чаще других моделей появлялась на обложках модного журнала. Следующий год не стал исключением, так, в числе последних съемок – фотосессии для выпусков, , , , участие в многочисленных показах и телевизионном проекте «Топ-модель по-русски».
