На службу в органы внутренних дел пришла в 1978 г. на должность участкового инспектора инспекции по делам несовершеннолетних отдела внутренних дел Кувандыкского райисполкома Оренбургской области. В 1979 году Наталья Агафьева назначена на должность следователя следственного отделения.

На руководящих должностях с 1985 года:

- начальник инспекции по делам несовершеннолетних;

- с октября 1985 г. Агафьева Н.И. — старший следователь;

- с марта 1995 г. заместитель начальника отдела внутренних дел г. Кувандыка и Кувандыкского района Оренбургской области, начальник следственного отделения;

- в октябре 2002 г. переведена на должность старшего следователя отдела по организации деятельности органов предварительного следствия при МВД, ГУВД, УВД субъектов федерации организационного управления Следственного комитета при МВД России;

- с ноября 2006 г. — заместитель начальника того же отдела;

- в августе 2007 г. Наталья Агафьева назначена на должность заместителя начальника УВД по Оренбургской области, начальником следственного управления;

- с 2011 года — на должность заместителя начальника УМВД России по Оренбургской области, начальником следственного управления.

В 2012 году полковник юстиции Н.И. Агафьева Указом Президента Российской Федерации назначена на должность заместителя начальника Главного управления МВД России по Центральному федеральному округу – начальника Следственной части. 11 сентября 2014 года указом Президента Российской Федерации полковник юстиции Наталья Агафьева назначена заместителем начальника Главного управления Министерства внутренних дел Российской Федерации по городу Москве – начальником главного следственного управления.

За период несения службы в органах внутренних дел награждена: медалями «За отличие в службе» I, II, III степени, «За доблесть в службе», нагрудным знаком «Лучший следователь».