Olimpíada de Atenas.
Falavigna venceu a australiana Tina Morgan, e nas quartas-de-final, a belga Laurence Rase. Na semifinal, entretanto, foi derrotada pela chinesa Chen Zhong, que se tornaria a campeã olímpica. Na repescagem, derrotou a italiana Daniela Castrignano e pode disputar ainda a medalha de bronze. Seria derrotada pela venezuelana Adriana Carmona por 9 pontos a 4.
Ouro no Mundial: Em abril de 2005, venceu o Campeonato Mundial de Taekwondo em Madrid, na Espanha. No final da temporada foi eleita a melhor atleta brasileira do ano, ganhando oPrêmio Brasil Olímpico de melhor atleta feminina.
Bronze em Pequim: Nos Jogos Olímpicos de Pequim 2008, após empatar em 2 a 2 na semifinal contra a norueguesa Nina Solheim, e depois de novo empate no Golden Score (Ponto de Ouro), os árbitros decidiram em favor da norueguesa. Na disputa pelo bronze, Natália derrotou a sueca Karolina Kedzierska por de 5 a 2.
Anos Pós-Pequim: Em 2009, Falavigna, estudante de pós-graduação e representante da universidade londrinense Unopar, passou a ser treinada por Walassi Aires. Obteve mais um título internacional inédito para o Brasil: medalha de ouro na Universíada de Belgrado 2009.
Em 19 de maio de 2011, é contratada pelo Fluminense até os Jogos Olímpicos de Londres 2012.
No dia 02 de Junho de 2013, conquistou o ouro no Aberto da Áustria de Taekwondo, em Innsbruck. Ela venceu na decisão da categoria até 73 kg a venezuelana Carolina Fernandez.