Отцом Натали Палей был великий князь Павел Александрович, дядя императора Николая II, а матерью — Ольга Карнович, женщина простого происхождения. Вместе с незаконнорожденным сыном Владимиром пара вынуждена была уехать из России во Францию. Там, в изгнании, в 1905 году и появилась на свет Натали Палей.
Вскоре император разрешил дяде вернуться на родину, а его супруге пожаловал титул княгини. Во время революции брат Натали Палей, князь Владимир, а затем и ее отец были арестованы большевиками и убиты. Матери удалось спасти дочь и бежать в Париж. Обворожительная Натали Палей быстро нашла работу манекенщицы в модном доме другого эмигранта — Феликса Юсупова, потом сотрудничала с Коко Шанель, а затем — с модельером Люсьеном Лелонгом. За последнего княжна-модель и вышла замуж.
Завоевав модный Париж, Натали Палей стала иконой стиля своего времени. Она не раз появлялась на обложке журнала Vogue, ее именем названы духи бренда Lelong, а дальнейшая жизнь Натали Палей положила начало стереотипу успеха современных светских львиц. Расставшись с Лелонгом, она уехала в Голливуд, стала кинодивой и возлюбленной писателя Эриха Мария Ремарка, дружила с Марлен Дитрих, Сальвадором Дали, Лукино Висконти, Сержем Лифарем и многими другими звездами.