1 сентября 2002 года в Санкт-Петербурге Наталья вышла замуж за английского лорда и художника Джастина Портмана. У пары родилось трое детей: старший сын Лукас, дочка Нева и младший сын Виктор (родился в сентябре 2007 года).

В 2005 году супермодель вместе со своим мужем учредили благотворительный некоммерческий фонд «Обнаженные сердца» (логотип фонда разработал и нарисовал сам Джастин). Организация занимается строительством детских игровых комплексов по всей России.

В 2010 году в СМИ появились сообщения о предстоящем разводе Водяновой и Портмана.

В 2011 году Водянова объявила, что они больше не живут вместе.

В июле 2011 года появились слухи о романе Наталии с сыном владельца концерна LVMH, французским миллиардером Антуаном Арно.

В ноябре 2013 года стало известно, что Наталия и Антуан ждут ребенка.

2 мая 2014 года у пары родился сын Максим.