В казематах петербургского АПЗ
Смертную казнь Наталье заменили бессрочной каторгой, откуда террористка сбежала в ночь с 30 июня на 1 июля 1909 года вместе с тринадцатью каторжанками и тюремной надзирательницей A. B. Тарасовой, мотивы участия которой до конца не понятны.
В 1911 году Наталья познакомилась с социал-революционером, боевиком и, так же, как и она, беглым политкаторжанином Иваном Столяровым и вышла за него замуж. Через год она уже не занималась революционными делами, полностью поглощённая заботой о муже и детях.
Когда в России свершилась революция 1917 года, супруг первым поехал в Россию, где ждал жену с детьми, но в 1918 году Наталья заболела испанкой и умерла.
Она похоронена на кладбище Булонь-Бийанкур.
О Наталье Климовой написал пронзительный рассказ «Золотая медаль» Варлам Тихонович Шаламов. Он помогал её дочери Наталье, освободившейся из ГУЛАГа, собирать материалы о матери.