W 1955 znalazła się na liście najpiękniejszych aktorek Hollywood, w magazynie „Life”. Za rolę partnerki tytułowego bohatera (James Dean) w filmie Nicka Raya Buntownik bez powodu otrzymała swoją pierwszą nominację do Oscara.
Zagrała w filmach, takich jak: The Girl He Left Behind, Cash McCall, The Burning Hills czy Wiosenna bujność traw, za który otrzymała kolejną nominację do Nagrody Akademii Filmowej i który stał się klasyką filmów o miłości. W ciągu następnych 10 lat zagrała m.in. w klasycznym romansie West Side Story.
Po narodzinach córki, Nataszy, zrobiła sobie przerwę w pracy, by poświęcić się rodzinie. Wróciła do filmu po narodzinach drugiej córki. Zagrała w filmie Cyganka (Gypsy, 1962), który również został nominowany do Nagrody Akademii. Następnie pokazała się w obrazie Steve’a McQueena Love with the Proper Stranger. Zagrała także u boku Roberta Redforda w filmie Inside Daisy Clover. Natalie wystąpiła również w Wielkim wyścigu oraz w Bob and Carol and Ted and Alice, za który dostała 2 miliony dolarów.