Наталия жила в Никомидии — столице восточной части империи. Её муж Адриан служил чиновником при императоре Максимиане Галерии, гонителе христиан, и сам был язычником. Наталия же была христианкой тайно: дома об этом не говорили вслух.

Всё изменилось за один день. В пещере близ города схватили двадцать три христианина; их судили, истязали и требовали жертвы идолам, а потом привели в судебную палату записать имена. Начальником этой палаты был Адриан. Он спросил узников, какой награды они ждут от своего Бога за такие муки, и услышал в ответ слова апостола Павла: того, что Бог приготовил любящим Его, глаз не видел и ухо не слышало, и человеку такое даже на сердце не приходило. После этого Адриан велел писцам внести в список и его имя — «потому что и я христианин». Ему было двадцать восемь лет, и христианского учения он толком не знал.

Адриана заключили в тюрьму. Император советовал ему вычеркнуть себя из списка и попросить прощения, но тот ответил, что не обезумел и поступает по убеждению. Наталия, узнав о случившемся, поспешила в темницу — не оплакивать мужа, а укреплять его. Когда осуждённых приговорили к смерти и Адриана ненадолго отпустили домой сообщить об этом жене, она сначала не впустила его в дом: решила, что он отрёкся.

Казнили его вместе с остальными. Житие говорит, что Наталия была рядом до последней минуты и поддерживала мужа, боясь одного — что он дрогнет. Тела мучеников хотели сжечь, но началась гроза и печь погасла, и христиане смогли забрать останки.

Потом к молодой и богатой вдове посватался военачальник. Ещё до смерти Адриана Наталия просила мужа молиться, чтобы её не принудили к новому браку; теперь он явился ей во сне и сказал, что она скоро последует за ним. Так и вышло: Наталия скончалась у гробницы мужа, в предместье Византия, куда его тело перенесли верующие.

Церковь чтит Наталию как мученицу, хотя телесных мук она не приняла: её мученичеством стала верность. В русской традиции день их памяти, 8 сентября, считается днём покровителей супружества и семейного согласия, и в этот день многие пары просят у святых о крепком браке. На иконах Адриана и Наталию обычно пишут вместе, парой.