Dia juga pernah menjabat sebagai Konsultan Deputi Pengawasan BRR Aceh-Nias dan tim asistensi di Direktorat Jenderal Otonomi Daerah Kementerian Dalam Negeri di bawah Prof. Dr. Djohermansyah Johan tahun 2010 hingga 2012.
Natalius Pigai diketahui sangat aktif di berbagai lembaga swadaya masyarakat, di antaranya Yayasan Sejati yang fokus pada hak-hak kelompok terpinggir di Papua, Dayak, Sasak, dan Aceh antara tahun 1999 hingga 2002.
Dia juga pernah menjadi staf peneliti di Graha Budaya Indonesia-Jepang (1998-2001) dan staf Yayasan Cindelaras yang berkomitmen dalam pengembangan kearifan lokal serta perjuangan hak-hak petani.
Namanya mulai populer ketika menjadi Komisioner Komnas HAM periode 2012-2017. Ia sering memperjuangkan hak-hak masyarakat Papua.