Natalie Press devino la más popular de las estrellas emergentes en el cine británico con el estreno en el Reino Unido del galardonado largo iniciático My Summer Of Love (2004), a finales de 2004. Natalie detentaba el papel protagonista de Mona, una chica un tanto marimacho de clase obrera cuya vida da un vuelco por su encuentro con un forastero privilegiado y atractivo que llega a su ciudad de Yorkshire en época estival. La película devino el grandioso éxito del año, haciéndose con el Premio a la mejor película británica en los BAFTAs y en el Festival de Edimburgo; el trabajo interpretativo de Natalie fue recibido con la admiración general. Logró el galardón a la mejor promesa tanto en los Premios Evening Standard Film como en los del Círculo de críticos cinematográficos de Londres, y fue nominada también en la categoría de mejor actriz en los Premios del British Independent Film y en los del ya mencionado del Círculo de críticos cinematográficos de Londres. A finales de 2005, Natalie era la única mujer británica nominada para la categoría de mejor actriz en los Premios cinematográficos europeos.

The Times proclamó "la magnética… embriagadora interpretación" de Natalie; y el Evening Standard la consideró como "provista de un talento indecente," y siguió escribiendo que "las interpretaciones brillan, particularmente la de Press, quien da vida a Mona con una cualidad pilluela que nunca se pierde por vericuetos sentimentales o con falso encanto." La revista Elle abundó en lo mismo, asegurando que "en la fuerza de la interpretación de Natalie percibiremos mucho más de lo que hay en esta chica, con un look marciano a lo Sissy Spacek y el talento en bruto de una joven Samantha Morton." Time Magazine la calificó de "remarcable". La guerra por lograr los derechos del film para los EE.UU. la ganó Focus Features que estrenó el film en junio de 2005. La película y la interpretación de Natalie fueron celebradas por la crítica norteamericana y el New York Times calificó a Natalie como uno de sus "Intérpretes a considerar del verano de 2005".

Mientras My Summer Of Love estaba impresionando al público cinematográfico, la interpretación de Natalie en el corto de Andrea Arnold, WASP (2003), estaba obteniendo una respuesta parecida en festivales de todo el mundo. Natalie da vida al personaje central, Zoë, la madre adolescente de cuatro hijos que se niega a que la carga que significan sus pequeños se interfiera en una noche de juerga. The Guardian expresaba con pasión que la película "se beneficia[ba] enormemente de la remarcable interpretación de Natalie Press". El corto se hizo con más de diez galardones al mejor cortometraje en todo el mundo, incluyéndose los Festivales de Toronto y de Sundance y logró el reconocimiento global cuando alcanzó el Oscar al mejor corto en la ceremonia de la Academia de 2005.

Natalie siguió aumentando su variado catálogo de papeles, y se la vio en varios proyectos de perfil alto en el curso de 2005. Encarnó a una joven que se autolesiona, junto a Timothy Spall, en la producción de la BBC, Mr. Harvey Lights A Candle (2005), emitida en marzo de 2005, y asimismo también apareció con Rhys Ifans en The Undertaker (2005). El film Chromophobia (2005), coprotagonizado por Penélope Cruz, Ralph Fiennes y Kristin Scott Thomas, cerró el Festival de cine de Cannes de 2005.

Jamás satisfecha sin ponerse a prueba a sí misma, a continuación Natalie asumió el papel protagonista en el film independiente Song Of Songs (2006), que tuvo la première en el Festival internacional de cine de Edimburgo de 2005. El debutante guionista y director Josh Appignanesi formó equipo con el productor Gayle Griffiths para hacer realidad este melodrama oscuro enmarcado en el cerrado mundo de los judíos ortodoxos. La actriz mostró un lado completamente nuevo de su talento mediante un retrato poderosamente contenido de una joven en su veintena, masoquista y profundamente religiosa, junto a un nuevo rostro, Joel Chalfen. Variety destacó una "interpretación poderosa por parte de la crecientemente estimable Natalie Press," y The Times destacó su "tremenda interpretación". The Observer exalzó la "seductora y esencial interpretación de Natalie Press", a lo que añadió que "Song Of Songs la confirma como una estrella". La cinta se proyectó también en el Festival de Londres de 2005, tras lo que siguió el estreno en febrero de 2006.

El siguiente proyecto de Natalie, Red Road (Red Road, 2006), suscitó una enorme respuesta tras debutar en el Festival de cine de Cannes de 2006. Coprotagonizada junto a Kate Dickie, Martin Compston y Tony Curran, Natalie da vida a April, una joven que erra de Londres a Glasgow buscando su auténtica familia tras años viviendo en régimen de adopción. Produjo el film Lars von Trier como una primera parte de una trilogía proyectada, y ganó el Premio del jurado de Cannes en 2006. Se estrenó en el Reino Unido en octubre de 2006, tras la première que tuvo en el Festival de cine de Londres. Red Road siguió cosechando cinco BAFTAs escoceses, entre ellos el de mejor film. Más tarde, en aquel mismo año, Natalie logró el premio a la mejor promesa de los Premios Glamour, en Londres.

En Septiembre de 2006, Natalie comenzó a rodar en el Nuevo film de Peter Greenaway, LA RONDA NOCTURNA. La cinta se centra en la creación del célebre lienzo de Rembrandt, ‘La ronda de noche’ y en los efectos que tuvo sobre su vida personal. La actriz protagoniza la cinta junto a Martin Freeman, Eva Birthistle y Jodhi May.