В 1996 году Антонова вышла замуж и родила сына Артема. Спустя пять лет Антонова развелась. "Я бы раньше развелась, если бы не сын. Причина нашего расставания в том, что я категорически не воспринимала его (мужа) образ жизни, привычки" - признается актриса. Теперь она считает свое быстрое замужество ошибкой: "Мы слишком мало встречались и не успели узнать друг друга".

В настоящий момент Наталья замужем за врачом-гинекологом Николаем Семеновым.

От второго брака у неё родилось ещё двое детей — Никита и Максим, также актриса воспитывает Антона, сына Николая Семёнова от первого брака.