Наталью Сергеевну посадили в одиночную камеру, изматывали бессонницей, еженощно вызывая на допрос, требовали признания, но «я плачу отчаянно и безнадежно, я не могу уже говорить и в знак отрицания только качаю головой». Где она брала силы, что отстаивала, если решилась даже на самоубийство? «Нет, я слишком хорошо представляла, на что я иду… Я твердо знаю, что я умру не за Платонова, не за Рождественского, а за личную свою человеческую честь. Как бы я стала жить предателем и трусом?» Она понимала, что ее безвестная смерть в тюремной камере-одиночке ничего не изменит в ходе следствия, и все-таки сделала выбор: «Я вернулась в камеру после последнего допроса совершенно убитая. Выхода не было. Надо было или подписать ложные показания, или умереть». Порезы припасенным ржавым обломком бритвы привели к заражению крови, Наталья Сергеевна была при смерти, но ей не дали умереть. После возвращения из лазарета допросы продолжились, новый следователь не кричал, а деловито объяснил, что отказ от показаний считается враждебным актом против советской власти, поэтому надо хоть что-то написать. Н. С. Штакельберг составила текст, в котором отрицала, что кружок был антисоветской организацией, однако признала, что «большинство докладов носили не марксистский характер». Такие показания никуда не годились, и не миновать бы ей концлагеря, если бы не случай. Следователь замахнулся ударить ее, и она в гневе воскликнула: «Я найду пути, чтобы рассказать Сталину обо всем, что здесь делается», потому что вождь знаком с семьей ее мужа.
Это была правда: в апреле — июле 1917 года Сталин снимал комнату в квартире Штакельбергов. По просьбе знакомого они приютили вернувшегося из ссылки революционера, и Сталин прожил у них почти четыре месяца. Короткости между ним и семьей Штакельбергов не было (в семейные анекдоты вошло то, что будущий вождь однажды тайком съел их котлеты), но он несомненно их помнил. Едва ли он вступился бы за баронскую семью, но Наталья Сергеевна попала в точку — ленинградские следователи испугались ее угрозы. Через неделю ее освободили, и августовским утром 1930 года она стояла на Литейном проспекте с забинтованной головой, с лицом, покрытым после фурункулеза шрамами, держа шубу, в которой ее зимой привезли в тюрьму. У нее не было сил дойти до Финляндского вокзала, не было денег доехать до Левашово, где жила семья. Наталья Сергеевна остановила извозчика, попросила довезти ее до вокзала и дать рубль на поезд, а в плату взять ее шерстяную кофту. Старик извозчик молча выслушал ее, помог сесть в пролетку, на вокзале она протянула ему кофту, но «он отстранил мою руку: „Наденьте, я тоже человек“, снял шапку, достал из-под подкладки рубль, перекрестился и протянул мне его: „И чего теперь только с людьми не бывает!“» Соузники Н. С. Штакельберг сравнивали историю ее спасения с нежданным спасением Гринева из пушкинской «Капитанской дочки»