Однако главные претензии Екатерины к Наталье касались отнюдь не финансовой стороны. После двух с половиной лет брака ее невестка так и не подарила империи наследника. Однако ее тревоги были забыты, когда осенью 1775 года великая княгиня решила, что она беременна. «Ее друзья не без основания очень волновались, удастся ли ей это доказать», – писал в своем отчете британский посол. Месяц спустя последовало официальное объявление о том, что Наталья беременна и ребенка ожидают к весне. До марта 1776 года беременность Натальи протекала так спокойно, что императрица вызвала кормилиц для ребенка, который вскоре должен был родиться. Брат Фридриха II, принцы Генрих Прусский, выехал из Берлина, чтобы присутствовать при столь важном для династии событии.

В четыре часа утра, в воскресенье, 10 апреля Павел разбудил свою мать и сказал, что у его жены в полночь начались схватки. Екатерина встала, надела халат и поспешила к постели роженицы, и хотя серьезные схватки еще не начались, она оставалась с супругами до десяти часов утра. Затем Екатерина ушла, чтобы одеться, и вернулась к полудню – к тому времени схватки были уже достаточно сильными, Наталья мучилась от боли, и казалось, что ребенок должен вот-вот появиться на свет. Но день и вечер прошли безрезультатно. Приступы боли чередовались с тяжелым забытьем. В понедельник все повторилось. Во вторник повитуха и врачи заявили, что спасти ребенка невозможно: все согласились с тем, что скорее всего ребенок уже умер. В среду, тринадцатого числа, врачи уже отчаялись спасти жизнь роженицы. Наталья исповедовалась. Около шести часов вечера в пятницу 16 апреля после пяти дней мучительной агонии Наталья умерла.

Екатерина и Павел оставались с ней все эти пять дней. «Никогда еще моя жизнь не была так тяжела, ужасна и наполнена болью, – писала императрица Гримму. – Три дня я не ела и не пила. Временами ее страдания вызывали у меня такое чувство, будто и мое тело готово было разорваться на части. Затем я словно каменела, я, которая так часто плачу, смотрела, как она умирает, и не проронила ни слезинки. Я сказала себе: «Если ты заплачешь, зарыдают и остальные. Если ты зарыдаешь, остальные лишатся чувств»». Мучения Екатерины усиливало и осознание того, что, по заключению врачей, ее внук был «прекрасно сформировавшимся мальчиком». Вскрытие показало, что ребенок был слишком большим, чтобы пройти через родовой канал, причиной стал врожденный порок скелета, который не позволил Наталье родить живого ребенка. Когда тело молодой женщины вскрыли после смерти, Екатерине сообщили, что «там было найдено отверстие лишь в четыре пальца шириной, тогда как плечам ребенка требовалась ширина в восемь пальцев».