Ακόμα και μετά το γάμο τους -και παρά τις πολλές προσπάθειες της συζύγου του να αλλαξοπιστήσει- ο Αδριανός παρέμεινε ειδωλολάτρης. Μετά από πολλές προσευχές της Ναταλίας στο Θεό, ο Αδριανός πίστεψε στο Χριστιανισμό, όταν 23 νέοι άνθρωποι, πιστοί Χριστιανοί, που κρυβόντουσαν σε σπήλαια, συνελήφθησαν, βασανίστηκαν και φυλακίστηκαν με σκοπό να θανατωθούν. Και οι 23 όμως, έλαμπαν από χαρά που θα συναντούσαν τη Βασιλεία του Θεού. Ο Αδριανός πίστεψε στο Χριστιανισμό, δήλωσε την πίστη του και αμέσως φυλακίστηκε. Η Ναταλία έμαθε το συμβάν της φυλάκισης. Την κυρίευσε θλίψη, όταν όμως έμαθε το λόγο που ο σύζυγός της μπήκε φυλακή, ντύθηκε με χαρούμενη φορεσιά και πήγε να τον δει.
Στη φυλακή του έδινε θάρρος για να υπομείνει τα βασανιστήρια και παρακάλεσε τους υπόλοιπους φυλακισμένους να προσεύχονται για τον σύζυγό της. Με προτροπή του Αδριανού, η Ναταλία γύρισε στο σπίτι. Μετά από λίγο, του ανακοινώθηκε ότι την επόμενη μέρα θα παρουσιαζόταν μπροστά στον αυτοκράτορα-τύραννο. Τότε ο Αδριανός, , δωροδόκησε τους δεσμοφύλακες ώστε να τον αφήσουν να πάει στο σπίτι του για να παρακαλέσει την Ναταλία να παρευρεθεί στην τελείωσή του δια του μαρτυρίου. 
Όταν έφτασε στο σπίτι του και χτύπησε την πόρτα, η Ναταλία δεν του άνοιξε. Νόμιζε ότι φοβήθηκε τα βασανιστήρια, αρνήθηκε την πίστη του Χριστού και γύρισε. Κατηγορούσε επίσης, τον εαυτό της και τον αποκαλούσε άθλιο, διότι ούτε για μια μέρα δεν μπόρεσε να ονομαστεί γυναίκα μάρτυρα. Όταν όμως ο Αδριανός της είπε το σκοπό της επίσκεψής του, του υποδέχτηκε με χαρά και μαζί παρουσιάστηκαν μπροστά στον τύραννο. Εκεί, ο Αδριανός ομολόγησε την πίστη του και άρχισαν τα φριχτά βασανιστήρια, παρουσία της Ναταλίας.
Τελικά, του ακρωτηρίασαν τα χέρια και τα πόδια, ενώ η Ναταλία μάζευε ένα ένα τα μέλη του, λέγοντάς του συνεχώς να μην κάνει πίσω και αρνηθεί την πίστη του στον Χριστό. Τον ίδιο φριχτό θάνατο, είχαν και οι 23 νέοι μάρτυρες. Όταν μάζεψαν τα σώματά τους να τα ρίξουν στη φωτιά, η Ναταλία κρατώντας στην αγκαλιά της το χέρι του Αγίου Αδριανού, ακολουθούσε τα λείψανα και άλειφε τον εαυτό της με τα αίματα που έσταζαν.
Η φωτιά που άναψαν, έσβησε αμέσως από ραγδαία βροχή και κάποιος πιστός μάζεψε γρήγορα τα λείψανα, και με ένα πλοιάριο τα κατέθεσε κοντά στο Βυζάντιο, στην Αργυρούπολη. Εκεί, πήγε και η Ναταλία, όπου άφησε και την τελευταία της πνοή.
Κάποιες πηγές αναφέρουν ότι και η Αγία Ναταλία, πέθανε ύστερα από σκληρά βασανιστήρια με μαρτυρικό θάνατο. Ο Άγιος Αδριανός και η Αγία Ναταλία, οι οποίοι μαρτύρησαν για την πίστη τους, πριν τα τριάντα τους χρόνια, θεωρούνται θαυματουργοί και η Εκκλησία τιμά τη μνήμη τους στις 26 Αυγούστου.