Один из лучших и известных цитопатологов России.

В 1968 году защитила кандидатскую диссертацию по закрытой теме.   В 1984 г. защитила докторскую диссертацию «Опухоли костей (цитологическая диагностика и терапевтический патоморфоз)». 

Много лет возглавляла ЦММКДЛ (централизованную цитологическую лабораторию, работавшую в программе скрининга на рак шейки матки) поликлиники № 117 г. Москвы. 
На протяжении многих лет работает в составе Аттестационной комиссии Департамента здравоохранения города Москвы по аттестации врачей клинической лабораторной диагностики (цитологов).

Длительное время руководила сертификационными циклами по подготовке лаборантов — цитологов.

Член Международной академии цитологии. Наталия Юрьевна активно участвовала в создании Ассоциации клинических цитологов России, является членом координационного совета. Проделала большую работу — по тарификации и ценообразованию цитологических исследований, подготовке и разработке приказов и нормативных актов по клинической цитологии. В 2016 году Наталия Юрьевна организовала и возглавила комитет по клинической цитологии Ассоциации специалистов и организаций лабораторной службы «Федерации лабораторной медицины», в настоящее время является его председателем. Под руководством Наталии Юрьевны был подготовлен «Профессиональный стандарт по клинической цитологии» и пояснительная записка к нему. Н.Ю. Полонская внесла огромный вклад в развитие отечественной цитологии. Особое внимание она уделяет цервикальной цитологии и организации скрининга рака шейки матки, опубликовав множество монографий, которые являются настольным руководством для практических цитологов. В качестве редактора участвовала в переводе иностранных руководств и классификаций по цервикальной цитологии.

Опубликовала более 300 научных статей, является автором и соавтором 17 монографий. Неоднократно докладывала результаты своих исследований на съездах, конгрессах, пленумах онкологов, гинекологов, цитологов, патологоанатомов, принимала участие в Симпозиумах и Международных Конгрессах.