В 1965 году защитила докторскую диссертацию и опубликовала монографию «Геохимия почв содового засоления».
А.А. Ляпунов, А.А. Титлянова и Н.И. Базилевич создали функциональные модели обменных процессов, связывающие в единую систему биотические и абиотические почвенные процессы. Они же создали балансовые модели круговорота веществ в природных и антропогенных экосистемах разных природных зон: тундры, болот, лугов, лесов, степей, пустынь.
биогеохимию (биологический круговорот химических элементов) и функционирование зональных экосистем
эволюцию и динамику органического вещества в почвах;
географию биогеохимические функции живого вещества в жизни экосистем и почв.
В 1978—1994 годах работала в Лаборатории биогеографии Института географии АН СССР / РАН, где обобщала и анализировала обширный материал по продуктивности экосистем СССР и Мира, составляла карты биопродуктивности[4]. С середины 1980-х годов, несмотря на плохое зрение, продолжала активно работать над сводкой «Биологическая продуктивность экосистем северной Евразии» (1993). Её работу активно поддержал заведующий лабораторией Р. И. Злотин, организовав ей помощь со стороны сотрудников лаборатории[5]. В работе ей помогали Г. Е. Вильчек, Н. Г. Царевская, А. Н. Гудына, А. А. Тишков и другие сотрудники.
1973 — Премия имени академика В. Р. Вильямса, за статьи «Продуктивность и круговорот элементов в естественных и культурных фитоценозах»; «Биогеохимия главнейших типов растительности Земли»; «Географические аспекты изучения биологической активности» и другие[8].
Базилевич Н. И. Биологическая продуктивность экосистем Северной Евразии. — М.: Наука, 1993. — 293 с.
Базилевич Н. И. Географические закономерности биологической продуктивности почвенно-растительных формаций Северной Евразии // Почвоведение. — 1993. — № 10. — С. 10—18.
Базилевич Н. И., Гребенщиков О. С., Тишков А. А. Географические закономерности структуры и функционирования экосистем. — М.: Наука, 1986. — 296 с.
Базилевич Н. И., Ремезов Н. П., Родин Л. Е. Методические указания к изучению динамики и биологического круговорота в фитоценозах. — Л., 1968. — 143 с.
Базилевич Н. И., Родин Л. Е. Динамика органического вещества и биологический круговорот азота и зольных элементов в основных типах растительности земного шара. — М.; Л.: Наука, 1965. — 223 с.
Титлянова А. А., Базилевич Н. И., Снытко В. А. и др. Биологическая продуктивность травяных экосистем: Географические закономерности и экологические особенности. — Новосибирск: Наука, 1988. — 134 с.
↑Честных О. Наталья Ивановна Базилевич — основоположник продукционной биогеографии: (К 100-летию со дня рождения) // Лесоведение. 2010. № 6. С. 71-73.
↑Панкова Е. И., Турсина Т. В., Тишков А. А. Вклад Н. И. Базилевич в развитие почвенной науки: К 100-летию со дня рождения Н. И. Базилевич // Почвоведение, 2010, № 11, С. 1283—1295.
↑Базилевич Наталия Ивановна (1910—1997) // Институт географии Российской академии наук и его люди. М.: Наука, 2008. С. 306—307.
↑Тишков А. А. Наталья Ивановна Базилевич (1910—1997): Почвовед, биогеохимик, эколог, географ, д.с.-х.н. (1965). В Институте в 1978—1994 гг. // В нашем доме на Старомонетном, на выселках и в поле. Составитель А. В. Дроздов. Москва: КМК, 2012. С. 289—296.