Пока не наступило лето, супруги жили достаточно уединённо. Им не раз предлагали бежать за границу, однако князь был непреклонен: он всё ещё хотел остаться на родине. Тем не менее оставить в России сына Михаил Александрович побоялся и тайно, вместе с прислугой, отправил в Данию, где проживали родственники вдовствующей императрицы Марии Фёдоровны.

Спустя несколько недель великого князя заключили под арест, а потом направили в ссылку в Пермь. Наталья должна была следовать за ним, но задержалась на время, чтобы найти возможность вернуть хотя бы часть конфискованных драгоценностей. В то время она писала мужу: «У меня опять такое беспокойство на душе, что я ни днём, ни ночью не знаю покоя… Мысли о смерти меня больше не покидают ни на одну минуту…» Он отвечал ей: «Моя дорогая Наташа, сердечно благодарю тебя за письмо. События развиваются с ужасающей быстротой… Ужасно грущу, что мы не вместе, люблю тебя всем сердцем. Да хранит тебя Бог, моя нежная Наташа. Весь твой Миша».

В Пермь Брасова приехала спустя некоторое время, однако надолго там не осталась: надо было отправлять за границу дочь Тату, которая всё ещё жила в России. А через несколько дней после возвращения в Гатчину Наталья Сергеевна неожиданно получила телеграмму, в которой говорилось, что её супруг бесследно исчез 30 июня 1918 года.

Растерянная и возмущённая, Наталья Брасова отправилась в Петроград, чтобы получить в ЧК информацию о пропавшем муже. Однако там не только изобразили на лицах удивление, но и взяли под арест супругу великого князя, обвинив её в причастности к таинственному исчезновению Михаила Романова. Десять месяцев провела Брасова в тюремной камере, пока, будучи весьма находчивой и смелой, додумалась притвориться больной и добиться перевода в тюремную больницу. Из больницы Брасова сбежала. Из Петрограда она добралась в Одессу, потом — в Константинополь, а окончательно обосновалась во Франции, продолжая время от времени расспрашивать у русских эмигрантов о своём муже. Наталья ждала, что супруг, как и было условлено, когда-нибудь объявится во Франции, и верила, что Михаил Александрович жив.