Портрет Н.И. Мельгуновой был создан в 1770-е годы, когда Левицкий едва достиг известности и широкого признания его таланта. В его наследии сохранилось не так много камерных женских образов, относящихся к этому периоду. В собрании Третьяковской галереи хранится еще только один женский портрет М.А. Дьяковой (1778), исполненный в указанное десятилетие. В отличие от душевной открытости Дьяковой, Мельгунова выделяется большей собранностью и сдержанностью. По своему образному строю изображение очень близко портрету неизвестной в малиновом платье (1774, Государственный Русский музей), также принадлежащему кисти Левицкого. Несмотря на очевидную внутреннюю скованность, художнику явно симпатизировала его модель. Легкая полуулыбка, внимательный, теплый взгляд свидетельствуют о ее ласковом и добром нраве, спокойном, уравновешенном характере. Заслуживают внимания и художественные достоинства полотна. Мастер демонстрирует умение придавать фигуре объемность и пластическую убедительность, сочетая это с мастерством находить тончайшие тональные переходы, обусловленные игрой света на различных поверхностях формы. Классицистическая ясность композиции достигается строгостью и лаконизмом в построении формы. Высокая прическа модели, украшенная лентами и пером, а также покрой платья с удлиненным вырезом, украшенным пышным бантом, помогают датировать произведение 1770-ми годами.

Заслуживает внимания и представленная на портрете модель. Наталья Ивановна Мельгунова (1742–1782), урожденная Салтыкова, принадлежала к кругу родовитой придворной аристократии и слыла, по отзывам современников, просвещенной женщиной. Ее родной брат, генерал-фельдмаршал Н.И. Салтыков, был воспитателем великих князей Александра и Константина Павловичей. Ее супруг, А.П. Мельгунов (1722–1788), по замечанию Екатерины II, был «человеком очень умным и очень полезным государству». Императрица назначала его на разные ответственные должности: генерал-губернатором Ярославской губернии, наместником Архангельского края. И всюду в качестве помощницы и верной спутницы следовала за ним его жена Наталья Ивановна.

Портрет кисти Левицкого долгое время хранился в фамильном собрании. За высокий художественный уровень он был отобран для экспонирования на знаменитой Таврической выставке в 1905 году. В начале ХХ века владельцем картины был князь П.Д. Волконский, внук изображенной. Вероятно, в годы революции полотно было вывезено за рубеж и долгое время находилось вне поля зрения специалистов. Лишь в 1990 году оно было приобретено для Третьяковской галереи.