Наталья Рафаиловна начала работать врачом-педиатром в 1967 году. Через три года она стала ассистентом кафедры анатомии человека в Альма-матер, а ещё через 10 лет успешно защитила диссертацию на соискание ученой степени кандидата наук. В 1994 году Наталья Рафаиловна получила звание доктора наук.
С 1995 по 2000-й Наталья Карелина работала в Великом Новгороде, где занимала должность профессора кафедры морфологии института медицинского образования в составе университета им. Ярослава Мудрого. Три года - с 2000 по 2003-й - она возглавляла кафедру. Также с 1995 по 1997 год Наталья Карелина совмещала работу на кафедре с обязанностями проректора по науке, а с 1997-го по 2000-й - декана лечебного и стоматологического факультетов.
В 2003 году Наталью Рафаиловну избрали на должность заведующей кафедрой анатомии человека Санкт-Петербургской педиатрической медицинской академии. В период 2013 по 2014-й профессор занимала в вузе пост декана факультета дополнительного и профессионального образования.
Наталья Карелина — научный руководитель девяти кандидатских диссертантов и научный консультант двух докторских диссертантов, автор более 300 публикаций. Наталья Рафаиловна активно участвует в издании научных журналов: она заместитель главного редактора журнала «Russian Biomedical Research» и член редакционной коллегии журналов «Морфология», «Педиатр», «Пародонтология», «Forcipe».
Коллеги знают Наталью Рафаиловну и как создателя и президента Санкт-Петербургского симпозиума по морфологии, биохимии, нормальной и патологической физиологии ребёнка.
Администрация Университета, Ученый совет, Санкт-Петербургское отделение Научного медицинского общества анатомов, гистологов и эмбриологов, студенты сердечно поздравляют Наталью Рафаиловну, желают ей крепкого здоровья, неиссякаемой энергии и творческих успехов на благо любимой науки и родного университета.