Родилась в Париже. Её родителями были великий князь Павел Александрович и Ольга Валериановна фон пистелькорс, урожденная карнович - Валуа. Послеоктябрьской революции отец и брат, князь Владимир палей, были арестованы большевиками и убиты.
В 1920 году с матерью и сестрой покинула советскую Россию, работала манекенщицей в Париже. В 1927 году вышла замуж за модельера Люсьена лелонга, с которым развелась в 1937 году. Появлялась на обложке журнала 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 немецкого писателя эриха Марии ремарка. Умерла в Нью-йорке в 1981 году. Детей не имела.
В романе Эриха Марии ремарка "Тени в раю" история любви между главными героями напоминает реальные события - историю любви Натали палей и самого писателя.