Они познакомилось в начале 60-х. В 1964 году именно из-за «девочки Наташи», как он обращался к будущей жене в первых записках, поэт переехал в Москву. Они поженились и прожили вместе 48 лет.

Умная и прекрасно образованная — кандидат математических наук, ученица академика Гельфанда, с прекрасным чувством юмора и огромной энергией, на долгие годы она не только стала музой поэта, но и тонким, талантливым организатором его жизни.

Любимой жене Завальнюк посвятил много стихов, но читать их на публику Наталья Марковна не любила. Признавалась: «Боюсь рассыпаться, он для меня жив». Но все же цитировала строчку стихотворения, которое муж написал ей, когда сердился: «Какая царская осанка у этой женщины пустой».

После смерти поэта в 2010 году она организовала издание нескольких стихотворных сборников. Несмотря на возраст и расстояния, в мае 2015 года Наталья Марковна после 50-летнего перерыва прилетела в Благовещенск и активно участвовала во всех мероприятиях недели «Леонид Завальнюк. Возвращение», помогала становлению литературной премии имени Леонида Завальнюка. Она говорила: «Мы с Леней очень любили друг друга. Но в молодости это мешают понять страсти. Когда же страсть уходит, возникает удивительное чувство общности с человеком. У нас была потрясающая старость». 

Во многих своих стихах поэт обращался  к ней: 

Я тебя видел где-то

Люди, трамваи, лето…

В платье небесного цвета

Ты пробежала мимо.

Навек пробежала мимо.

Встретиться необходимо!

Я тебя видел когда-то

Выше полоски заката.

Легко, словно струйка дыма,

Ты пролетела мимо.

Навек пролетела мимо.

Встретиться необходимо!

С тех пор твой облик не гаснет,

Моею печалью томимый:

- Немыслимо, — шепчет мне ясень,

С детства знакомый ясень.

Да-да, — говорю я.- Согласен.

Я очень с тобой согласен.

Но встретиться необходимо!

***

Листья падают с осин.

От винта! Взлетает осень.

Церемонии отбросив,

Ты одна.

И я один.

И так чисто нам двоим,

Словно все извивы тонут.

Как я счастлив, как я тронут

Одиночеством твоим!

Листья медленно кружат…

От винта! Взлетаем оба

Выше неба, дальше гроба.

Память – мелочь и тщета.

Мы летим, и нет возврата,

Только след сестры и брата,

Чистый, вечный, как мечта.

Наталья Марковна Завальнюк будет похоронена рядом с мужем, в Москве на Троекуровском кладбище.