На 15 юли 2009 г. Естемирова е отвлечена с кола на излизане от жилището си в чеченската столица Грозни. Няколко часа по-късно окървавеното тяло е намерено захвърлено край магистрала в съседна Ингушетия. Преди да бъде убита, 50-годишната Наталия разследва смъртта на мъж, публично екзекутиран от чеченската полиция.