Будущая известная манекенщица и актриса Наталья Палей родилась в семье генерала Императорской гвардии Павла Романова, младшего брата царя Александра III. Ее мать Ольга Карнович не принадлежала к знатному роду. Николай II не дал своего разрешения на брак, поэтому в 1902 году пара обвенчалась в Италии, оставшись жить за пределами России. В 1908 году Николай II все же смягчился и разрешил супругам вернуться на родину, а в 1915 году даровал Карнович и ее трем детям, в том числе и Наталье, княжеский титул и фамилию Палей (в честь отца — великого князя Павла Александровича).
С началом революции 1917 года жизнь семьи Палей вновь перевернулась. Сводный брат Натальи Дмитрий принимал участие в убийстве Григория Распутина, а ее брат Владимир Палей был позже убит революционерами. В 1918 году расстреляли и самого Павла Александровича. А мать Натальи с двумя детьми экстренно сбежала в Европу.
Как и другие российские аристократы, эмигрировавшие из-за прихода к власти большевиков, Палей столкнулись с серьезными финансовыми проблемами. Чтобы заработать денег, Наталья приняла решение стать манекенщицей. Несмотря на несогласие с непристойной профессией, Ольга согласилась с выбором дочери, в уверенности, что это разрушит ее жизнь.
Путь Натальи в парижской моде начался со знакомства с Коко Шанель, которая одна из первых обратила внимание на ее красоту и порекомендовала ее кандидатуру известному кутерье Люсьену Лелонгу. В 1927 году он развелся с женой и уже через месяц обвенчался с Палей. Общество отнеслось к этому браку с презрением: мало того, что княжна связала свою жизнь с мужчиной незнатного рода, так еще и ходили слухи о нетрадиционной ориентации Лелонга. Но Натали это не волновало: она регулярно снималась для французских модных журналов, появлялась на подиумах в платьях престижных домов моды и была любимицей многих великих фотографов тех лет.
Несмотря на карьерные перспективы, которые манекенщице открыл брак с Лелонгом, их отношения были далеки от идеала. Параллельно Палей встречалась в писателем Жаном Кокто, потом с артистом балета Сержем Лифарем. Отношения с Лифарем продлились около двух лет, но тот предпочел карьеру девушке. А по предположениям некоторых историков, отношения с Кокто даже привели к беременности Натальи, но та сделала аборт и лишилась возможности иметь детей.
В 1933 году уже получившая свою известность в мире моды манекенщица начала сниматься в кино. Она появилась в таких картинах, как «Ястреб» Марселя л’Эрбье, «Принц Жан», Жана де Маргена и других. Актерского таланта Палей недоставало, но зрители не могли оторваться от ее красоты.
В 1937 году Палей развелась с Лелонгом и уехала в США, где вышла замуж за продюсера Джона Уилсона. Там она стремилась развить свое актерскую карьеру, но и о работе модели не забывала. Со вторым браком девушке также не повезло: сказалась не только нетрадиционная ориентация супруга, но и его отношение к алкоголю.
Продолжая находиться в браке, она завязала еще два романа с известными писателями. В Америке Палей познакомилась с Антуаном де Сент-Экзюпери, но тот через год уехал обратно во Францию. Чуть позже Наталья соблазнила великого Ремарка, и эти отношения продлились более десяти лет. Палей уехала за ним в Швейцарию, но когда Ремарк полюбил другую, Наталья вернулась ни с чем к своему супругу.
Уилсон скончался в 1961 году из-за цирроза печени от чрезмерного потребления алкоголя, а Наталья оказалась в глубокой депрессии. Она не выходила из дома, не отвечала на звонки и отказывалась принимать гостей последние 20 лет своей жизни. В 1981 году уже частично потерявшая зрение Палей получила травму шейки бедра и диагноз: обездвиженность. Не в силах смириться, 27 декабря 1981 года Палей завершила жизнь самоубийством, оставив короткую предсмертную записку: «Я хочу умереть с честью».