Mapowanie ciemnej materii Natarajan opracowała metodę mapowania rozkładu ciemnej materii na małych skalach wewnątrz gromad galaktyk z użyciem soczewkowania grawitacyjnego. Jej technika łączy soczewkowanie silne (dające wyraźne, wielokrotne obrazy soczewkowanego obiektu) i słabe (subtelne zniekształcenia kształtów obiektów w tle), by w wysokiej rozdzielczości odtworzyć substrukturę gromad pełniących funkcję soczewek, czyli znajdujące się w nich mniejsze skupiska masy. Na podstawie danych programu Kosmicznego Teleskopu Hubble’a jej zespół wykorzystywał gromady galaktyk jako naturalne teleskopy do badania powiększonych źródeł tła oraz testowania przewidywań standardowego modelu kosmologicznego (opisującego Wszechświat z ciemną energią i zimną ciemną materią) na małych skalach.
Zarodki i wzrost czarnych dziur Natarajan zaproponowała wraz ze współpracownikami model powstawania masywnych zarodków czarnych dziur w wyniku przy dużym przesunięciu ku czerwieni. Zarodki te powstają nie z pozostałości gwiazdowych, lecz wprost z grawitacyjnego zapadania się pierwotnego gazu we wczesnych halo ciemnej materii. Model ten ma wyjaśniać, jak supermasywne czarne dziury obserwowane przy bardzo dużym przesunięciu ku czerwieni mogły osiągnąć duże masy we wczesnym Wszechświecie.