Родилась в Париже. Её родителями были величавый князь Павел Александрович и Ольга Валериановна Карнович. После Октябрьской революции отец и брат, князь Владимир Палей, были арестованы большевиками и убиты.
В 1920 году с мамой и сестрой покинула Советскую Россию, работала манекенщицей в Париже. В 1927 году вышла замуж за дизайнера Люсьена Лелонга, с которым развелась в 1937 году. Появлялась на обложке журнальчика Vogue. В 1930-х годах сыграла в нескольких фильмах с Морисом Шевалье, Шарлем Буайе, Кэри Грантом и Кэтрин Хепбёрн. Дружила с Ж. Кокто, С. Лифарем, Л. Висконти, М. Дитрих, Сент-Экзюпери и др.
После переезда в США вышла замуж за бродвейского продюсера Джона Уилсона, гомосексуала. Была любовницей германского писателя Эриха Марии Ремарка. Погибла в Нью-Йорке в 1981 году. Деток не имела.
В романе Эриха Марии Ремарка «Тени в раю» история любви меж главными героями припоминает реальные действия — историю любви Натали Палей и самого писателя.
