Наталья Павловна Палей родилась в 1905 году. Ее отец — великий князь Павел Александрович — был сыном императора Александра II. Мать Натальи, Ольга Валериановна Пистолькорс, происходила из семьи небогатого и совсем не знатного петербургского чиновника, к тому же она уже до этого была в браке.
Павел Александрович был вынужден тайно повенчаться с ней в Ливорно, однако из-за морганатического союза въезд на территорию Российской империи был им запрещен. Молодая чета решила остаться в Париже, где и родилась 5 декабря их дочь Наталья. В 1908 году Николай II позволил семье Павла Александровича вернуться на родину, а в 1915 году даже даровал Ольге княжеский титул с фамилией Палей, генетически восходящей к истории Запорожской Сечи.
В марте 1917 года Павла Александровича и его сына Владимира арестовывают. Ольге Палей удается уехать из России в Финляндию, а оттуда добраться до Парижа.
Многие русские эмигранты, оказавшись за границей без значительных средств к существованию, соглашались на работу в индустрии моды. Возможность получить гарантированные доходы привела к тому, что многие русские аристократы-эмигранты решили открывать свои дома мод. Ольга Валериановна с дочерьми оказалась в самом центре модного мира Парижа.
Юная Наталья Палей выбрала карьеру манекенщицы, устроившись на работу в фирму Юсуповых «ИРФЕ». Палей удается быстро завоевать популярность в русских эмигрантских кругах, а затем ее замечает и сама Коко Шанель. Благодаря ее протекции юную модель устроили на работу к Люсьену Лелонгу, первому кутюрье, создавшему линейку одежды для массового производства prêt-à-porter.
В сотрудничестве с Кристианом Диором он придумал более 40 ароматов духов, один из которых посвятил Наталье Палей — как подарок на венчание, состоявшееся в 1927 году. Интересно, что Ольга Валериановна отреагировала на свадьбу ровно таким же образом, как и Романовы 20 лет назад — она категорически не одобряла неравный брак внучки российского императора и французского портного. Вероятно, именно давление матери привело к тому, что вскоре Наталья Палей расстается с супругом.
В числе поклонников Натальи Палей были художник, основатель жанра мистического реализма Павел Федорович Челищев, балетмейстер и член труппы «Русских сезонов» Дягилева Серж Лифарь, французский драматург Жан Кокто. Популярность русской эмигрантки достигает пика, когда в 1937 году ее приглашают на работу в Голливуд.
В Америке Палей снова выходит замуж: на этот раз за режиссера и продюсера Джона Чепмена Уилсона. Она продолжает свою модельную карьеру в американской фирме «Линчбойчер» — красота и обаяние Палей приносят ей все новые и новые знакомства: с Марлен Дитрих, Эрихом Марией Ремарком, Антуаном де Сент-Экзюпери. Кстати, оба писателя посвятили ей немало страниц своих произведений и писем: например, сюжетная линия романа Ремарка «Тени в раю» напоминает перипетии реальной истории взаимоотношений писателя и русской красавицы. Роман Ремарка с Палей продлился около 11 лет.
В 1961 году муж Палей, Джон Уилсон, умирает от цирроза печени, а Палей чувствует, что ее время прошло: она ощущает, что больше никогда не будет в центре внимания, а это повлекло за собой тяжелую депрессию. Палей сознательно изолировала себя от общества, на протяжении 20 лет не выходя из дома и не показываясь на публике. В 1981 году она упала и повредила шейку бедра — диагноз, поставленный врачами, поставил заключительную точку в ее карьере: оставаться прикованной к постели до конца своей жизни.