В Тобольск Фонвизины приехали 6 августа ночью, кругом на улицах была грязь; дом, в котором поселились, - темный, низкий, унылый. Соответственным было и настроение приехавших. В Тобольске Наталия Дмитриевна узнала о смерти отца. Позднее она говорила, что первый год жизни в Тобольске был, как ночь. В следующем 1839 году столица Западной Сибири была перенесена из Тобольска в Омск; все официальные учреждения переехали туда, "нарядный" народ уехал, остался простой народ, наступила, по словам Наталии Дмитриевны, "тишина, и птички прилетели, и зверьки прибежали".

В декабре 1839 года Францевы решили возвратиться в Россию. На пути из Красноярска они заехали в Тобольск к Фонвизиным проститься, и те уговорили их остаться в Тобольске. Михаил Александрович рекомендовал Францева генерал-губернатору, князю П. Д. Горчакову, который устроил его на службу прокурором; Фонвизины и Францевы прожили вместе в Тобольске 16 лет.

Мария Дмитриевна Францева описывает день Наталии Дмитриевны следующим образом: Наталия Дмитриевна вставала, долго молилась, читала, писала духовные заметки и выходила из своей комнаты только к обеду, к 3 часам дня. В летнее время она работала в саду, причем семена цветов выписывала из Риги. Вечером приходили товарищи мужа, так как в Тобольске жили на поселении декабристы - А. П. Барятинский, С. Г. Краснокутский, затем П. Н. Свистунов, Анненков с семьей и др. Основное занятие Наталии Дмитриевны в Тобольске сводилось к углубленному чтению богословских книг, переписке с друзьями и работе в оранжерее. Здесь же она познакомилась с небезызвестным священником С. Знаменским, причем не он влиял на нее, а она на него. Когда его перевели в Ялуторовск, он познакомился с декабристом И. Д. Якушкиным и очень помогал ему в создании школ для мальчиков и девочек. В Ялуторовске декабристы относились к нему с большим уважением. После отъезда Знаменского в Ялуторовск его сын, учившийся в Тобольске, жил у Фонвизиных.

Наталия Дмитриевна очень сочувственно относилась к устройству школ в Ялуторовске, а позднее и открытию женской школы в Тобольске. Она еще поставила себе задачу - перевоспитать мужа и приблизить его к религии. Ее воспитательная работа оказалась успешной.

Через год после приезда Фонвизиных в Тобольск туда были переведены из Красноярска братья Бобрищевы-Пушкины, чему Наталия Дмитриевна была очень рада. Для нее близкими по духу были П. С. Бобрищев-Пушкин и П. Н. Свистунов. Они нередко собирались, разговаривали на интересующие их темы, и в результате был послан донос о том, что в Тобольске образовалась "секта". При проверке все это оказалось сплошной ложью.

В год приезда в Тобольск Михаил Александрович подавал прошение о переводе на Кавказ рядовым, но его просьба не была удовлетворена. Наталия Дмитриевна также обращалась к правительству за разрешением съездить к матери, которая после смерти мужа осталась совсем одна и к тому же начала слепнуть. Но она тоже получила отказ.

В 1842 году Наталии Дмитриевне удалось съездить в Ялуторовск; официально ей было разрешено поехать в с. Абалак для говения, на самом же деле она отправилась в Ялуторовск.

В этом же году скончалась мать Наталии Дмитриевны, не сбылась ее мечта о свидании с матерью и совместной жизни с нею. Оставалась еще одна надежда - увидеться с сыновьями. Но и она не осуществилась: один сын умер в 1850 году, другой - в 1851. Горе матери можно себе представить.

Наталия Дмитриевна, женщина смелая и решительная, еще раз ездила в Ялуторовск, но без разрешения, за что получила выговор. В этой официальной бумаге она была названа "женой государственного преступника, ссыльно-каторжного", в то время как по предписанию из Петербурга жен декабристов, обращенных на поселение, следовало называть "супругами, состоящими под надзором полиции". Наталия Дмитриевна написала об этом графу Орлову, сменившему Бенкендорфа, а от генерал-губернатора, князя Горчакова, потребовала личного извинения. И он прислал его.

Князь Горчаков попал под влияние некой Шрамм, женщины очень корыстолюбивой. Началось взяточничество и другие злоупотребления. Наталия Дмитриевна написала обо всех безобразиях самому Николаю I с просьбой убрать Горчакова, недостойного занимать такой пост. Из Петербурга была прислана специальная комиссия, которая удостоверилась в справедливости нареканий на генерал-губернатора, и князь Горчаков был отстранен от должности. Все в Тобольске были очень рады. Как видно из вышеуказанного, Наталия Дмитриевна сочетала углубление в свой внутренний мир с общественной деятельностью. Сама же она писала о своей жизни иначе: "...сижу дома, читаю, играю с воспитанницей, крою, наблюдаю за шитьем, хожу, пишу письма, мурлычу себе под нос, думаю и грущу. Все это - бесцветное существование!". Грустное настроение доходило до желания умереть. Спасало цветоводство.

Стремление к самоусовершенствованию характерно для Наталии Дмитриевны. Она осуждала всех тех, кто заботился лишь об "улучшении вещества на земле (т. е. о материальных благах), не думая о душе". В этих словах выразилось ее основное мировоззрение.

Неожиданно было получено разрешение на поездку в Ялуторовск, где Наталия Дмитриевна пробыла две недели.

Наталии Дмитриевне было известно, что в Тобольском остроге содержались поляки. Как-то она узнала, что богатые поляки не помогают своим бедным соотечественникам. С присущей ей энергией Наталия Дмитриевна устроила сбор денег и .одежды для бедных поляков. Для того чтобы все собранное дошло до них, она попросила смотрителя острога вызвать этих поляков к себе, чтобы вручить им деньги и одежду.