En 2008, Nataliya Tobias obtient le meilleur résultat de sa carrière en remportant la médaille de bronze du 1 500 mètres des Jeux olympiques d'été de Pékin en établissant un record personnel en 4 min 01 s 78. L'Ukrainienne est devancée par la Kényane Nancy Lagat et sa compatriote Iryna Lishchynska.
Le , à la veille des Jeux olympiques de Londres, l'IAAF diffuse un communiqué faisant état du dopage de l'intéressée à la testostérone synthétique, à l'occasion des mondiaux de Daegu 2011. Nataliya Tobias reconnaît s'être dopée, et est suspendue deux ans à compter de [1].