Когда в 1917 году Сталин вернулся из трёхлетней ссылки в Петроград, между ним и шестнадцатилетней Надей начался роман. В 1918 году они поженились. От Сталина у Надежды было двое детей - Василий и Светлана.
Принято считать, что поводом для её самоубийства в ночь с восьмого на девятое ноября 1932 года послужило обострение болезни. Её часто мучали дикие головные боли. У неё, судя по всему, было неправильное сращивание костей черепного свода, и в подобных случаях самоубийство не редкость.
Надежда Сергеевна ушла с обеда и выстрелила себе в сердце из «Вальтера», запершись в своей комнате. Существовали версии, что Сталин сам убил ее, но они не подтвердились. По официальной версии Аллилуева скончалась от острого аппендицита. После её смерти в «Правде» был напечатан официальный некролог, а также особое письмо-соболезнование Сталину лично от Бориса Пастернака.
Надежда Сергеевна Аллилуева похоронена на Новодевичьем кладбище, на её могиле поставлен памятник из белого мрамора с надписью: «Надежде Сергеевне Аллилуевой-Сталиной, члену ВКП (б), от И. В. Сталина».
Иосиф Виссарионович часто посещал могилу жены и долго сидел на мраморной скамейке напротив.
В настоящее время памятник Аллилуевой накрыт плексигласовым коробом, так как данный тип мрамора разрушается в условиях московской погоды.