Наталья Алимова начинала заниматься волейболом в семь лет в ленинградской СДЮСШОР «Экран» у тренера В. Финкса. В начале карьеры выступала за петербургские команды «Экран» и ТТУ, в сезоне 1999/2000 годов дебютировала в составе ТТУ в Суперлиге чемпионата России.
В 2001 году вместе с прежним главным тренером ТТУ Евгением Сивковым перешла в московскую команду МГФСО, в которой отыграла один сезон. По его окончании подписала контракт с итальянским клубом-дебютантом серии A1 «Волей-2000» из Фьорано-Моденезе, а в 2003 году вернулась в родную команду, переименованную в «Ленинградку», отвергнув предложение от «Уралочки».
В сборной России Наталья Алимова дебютировала в 2005 году на международном турнире в Курмайоре. В июне 2005 года стала победительницей Кубка Бориса Ельцина с призом лучшей блокирующей турнира, а в сентябре того же года выиграла бронзовую медаль на чемпионате Европы в Хорватии. Также Алимова играла за сборную в 2007 и 2008 годах, завоевала вторую в карьере бронзу чемпионата Европы и была участницей Олимпийских игр в Пекине.
В 2009 году Наталья Алимова перешла из «Ленинградки» в «Динамо-Казань», но из-за разрыва крестообразных связок пропустила почти весь сезон. Вернувшись в команду из Санкт-Петербурга, Алимова по причине рецидива травмы вновь выбыла из строя во второй половине сезона-2010/11. С осени 2011 года Наталья играла за «Заречье-Одинцово», сумев полноценно вернуться в волейбол, с 2012 года на протяжении двух сезонов защищала цвета новоуренгойского «Факела».
Наталья Алимова замужем прыгуном с шестом и тренером Игорем Транденковым.