В 2011 года Наталья входит в основной состав сборной команды России по спортивному ориентированию.
По-настоящему большие успехи пришли к ней с 2016 года, когда Наталья впервые завоевала золотые медали чемпионатов мира и Европы по спортивному ориентированию. Весной 2016 года Наталья Гемперле на проходившем в Чехии чемпионате Европы выиграла по спортивному ориентированию в составе сборной команды России (смешанная спринт-эстафета) и стала бронзовым призёром чемпионата в классической трехэтапной эстафете. Также спортсменка успешно выступила на чемпионате мира по спортивному ориентированию в Швеции, проводившемся в августе 2016 года. Наталья завоевала весь комплект медалей чемпионата: золотую медаль в эстафете, серебряную медаль в лонге и бронзовую медаль на средней дистанции В настоящее время Наталья Гемперле – сильнейшая и самая титулованная ориентировщица России, одна из сильнейших ориентировщиц мира. В ее активе две золотых, три серебряных и три бронзовых медали чемпионатов мира; золото, серебро и три бронзы чемпионатов Европы; серебряная и бронзовая медали Всемирных игр; серебро и бронза общего зачета Кубка мира; обладательница 18 медалей этапов Кубка мира.
