С 2003 года из-за жёсткой конкуренции в сборной России приняла решение выступать за молдавскую сборную. Все результаты спортсменки на этапах кубка мира в сезоне 2003—2004 были аннулированы из-за отсутствия в то время молдавского паспорта.
Левченкова была выбрана знаменосцем от Молдавии на церемонии открытия зимней Олимпиады в Турине в 2006 году, где Наталья выступила неплохо, заняв 8-е место в индивидуальной гонке (что является наивысшим достижением для Молдавии на зимних Олимпиадах) и ещё дважды попав в тридцатку. Сезон 2006—2007 Левченкова пропустила по причине беременности. Вернулась в биатлон в сезоне 2007-2008 после рождения дочери и в этом же сезоне стала чемпионкой Европы.
Сезон 2008-2009 стал лучшим в карьере Левченковой - она заняла 20-е место в общем зачёте Кубка Мира. Лучшим результатом Левченковой в 2009 году стало 8 место в гонке преследования на 10 км на чемпионате мира в Южной Корее, при том что после спринта она стартовала лишь 43 (!), и 7 место в масс-старте на этапе Кубка мира в Оберхофе. Также стала серебряной призёркой в спринте, в Идре на этапе Малого Кубка. Кроме того, на чемпионате мира по летнему биатлону Левченкова завоевала бронзовую медаль в спринте.
Участвовала в Олимпиаде 2010 в Ванкувере. Однако успех Турина ей повторить не удалось, лучшим результатом Левченковой на этой Олимпиаде стало 37-е место в индивидуальной гонке. По её словам, виною неудачного выступления является недостаточная оснащенность сборной (в том числе массажистами и тех. персоналом), а также ошибки в подготовке.
Будучи далеко не самой сильной в беге, Левченкова делает упор на свою стрельбу. Долгое время она проходила лыжную подготовку вместе с членами российской сборной по лыжам, что, по заверениям Натальи, оказало ей значительную помощь.
Кубок мира
- 2009—2010 — 42-е место (142 очка)
- 2008—2009 — 20-е место (447 очков)
- 2004—2005 — 42-е место (87 очков)
- 2007—2008 — 40-е место (107 очков)
- 2005—2006 — 33-е место (177 очков)
- 2010—2011 — в текущем сезоне - не выступала (0 очков)
