Nathalie Baye se forme à la danse, séjourne à New York, et se lance dans la comédie (Cours Simon, Conservatoire) puis sur les planches à Paris.

Débuts au cinéma dans BRÈVE RENCONTRE À PARIS de Robert Wise (1972) et révélation en scripte de LA NUIT AMÊRICAINE (François Truffaut, 1973) et en copine d'Adjani dans LA GIFLE (Claude Pinoteau, 1974).

Elle devient muse des auteurs Truffaut (L'HOMME QUI AIMAIT LES FEMMES, LA CHAMBRE VERTE), Maurice Pialat (LA GUEULE OUVERTE), Alain Cavalier (LE PLEIN DE SUPER) et Claude Sautet (MADO) (1974-1978).

Les premiers rôles la sacrent en femme simple chez Bertrand Tavernier (UNE SEMAINE DE VACANCES), Jean-Luc Godard (SAUVE QUI PEUT (LA VIE), DÉTECTIVE), Claude Goretta (LA PROVINCIALE) et Bertrand Blier (NOTRE HISTOIRE) (1980-1985).

Elle triomphe en prostituée dans LA BALANCE (Bob Swaim) et séduit du moyenâgeux RETOUR DE MARTIN-GUERRE (Daniel Vigne) au thriller J'AI ÊPOUSÊ UNE OMBRE (Robin Davis) (1982-1983).

Les réalisatrices trouvent en elle un bel écho : Diane Kurys (LA BAULE LES PINS, 1990), Nicole Garcia (UN WEEK-END SUR DEUX, 1990), Jeanne Labrune (SI JE T'AIME PRENDS GARDE À TOI, 1998), Noémie Lvovsky (LES SENTIMENTS, 2003), Josiane Balasko (CLIENTE, 2008)...

Tonie Marshall redynamise son parcours (VÉNUS BEAUTÉ (INSTITUT), 1999) et lui reste fidèle (ENFANTS DE SALAUD, FRANCE BOUTIQUE, PASSE-PASSE, 1996-2008) pour un portrait riche et sans fard de la féminité.

Steven Spielberg la choisit comme mère de Leonardo DiCaprio (ARRÊTE-MOI SI TU PEUX, 2002) et Claude Chabrol comme politicienne provinciale sans scrupules (LA FLEUR DU MAL, 2003).

Succès de la maturité en femme flic bouleversée par la vie dans LE PETIT LIEUTENANT de Xavier Beauvois (2005) face à Jalil Lespert et Jacques Perrin.

Elle s'épanouit en femme libre (UNE VIE À T'ATTENDRE, Thierry Klifa, 2004, MARIE-OCTOBRE, tv, Josée Dayan, 2008), en épouse révoltée (LE PRIX À PAYER, Alexandre Leclère, 2007) et en mère fantasque (DE VRAIS MENSONGES, Pierre Salvadori, 2010, LAURENCE ANYWAYS, Xavier Dolan, 2012).