Marie-José Nat débute à seize ans en gagnant le concours de recrutement de la partenaire de Claude Pascal pour un roman-photo. Elle s'installe à Paris avec sa famille en 1955, où elle devient cover-girl puis mannequin. En parallèle, elle s'inscrit au cours Simon et fait de la figuration aux côtés de Bernard Blier et de Nicole Courcel. Sa première apparition au cinéma date de 1956, dans un court-métrage de Gilles Margaritis, Soir de réveillon, interprété par Sami Frey et Zavatta.
Marie-José Nat est découverte par Raymond Rouleau en 1957. Il remarque son interprétation de madame de la Fontaine dans le téléfilm Les Cinq tentations de la Fontaine. Elle obtient son premier grand rôle au cinéma dans Rue des prairies (1959) de Denys de La Patellière, où elle incarne la fille de Jean Gabin. Sur le plateau, elle rencontre Roger Dumas qu'elle épouse en 1960. L'année suivante, elle se montre plus calme et plus nuancée en soeur de Brigitte Bardot dans La Vérité (1960) d'Henri-Georges Clouzot. Michel Drach la contacte pour Amélie ou le temps d'aimer (1960). A partir de ce tournage, l'actrice s'éloigne des rôles de jeunes filles sages pour aborder des rôles de femmes sensibles et discrètes. La Vie conjugale (1964) d'André Cayatte inaugure cette nouvelle facette du talent de la comédienne. Elle représente l'archétype de l'épouse française avec finesse. Sa collaboration avec Michel Drach lui vaut des rôles qui font sa popularité, que ce soit dans Elise ou la vraie vie (1969), dans Les Violons du bal (1973) ou dans Passé simple (1977). Eblouissante dans le premier, elle incarne la compagne d'un Algérien à Paris à la fin des années 1950, qui supporte l'hostilité des gens et découvre la haine et le racisme. Son jeu pudique et sensible dans le deuxième film lui vaut un prix d'interprétation au Festival de Cannes. En 1977, sur le tournage du troisième film, elle rencontre Victor Lanoux. Elle se consacre alors principalement au théâtre avec lui, ainsi qu'à la télévision. Elle apparaît néanmoins dans quelques longs métrages, dont Le Nombril du monde (1992) d'Ariel Zeitoun.
Marie-José Nat suit des carrières parallèles sur les planches et à la télévision.
Au théâtre, elle s'illustre particulièrement dans Blaise et dans Désiré. Dès ses débuts, elle reçoit les encouragements de la profession, qui lui décerne le prix de la meilleure actrice de l'année en 1958. En 1985, elle rempli le théâtre du Palais-Royal au côté de Victor Lanoux dans Voisin, voisine.
Une des premières actrices à oser l'aventure du petit écran, elle joue ainsi Chérubin dans Le Mariage de Figaro (1962) de Marcel Bluwal et Ethel Rosenberg dans Les Epoux Rosenberg (1973) de Stellio Lorenzi. En 1995, elle apparaît dans Bleu indigo de Jean Sagols, tourné à Cuba.
Longs métrages 1956 | Club de femmes | Ralph Habib |
| 1956 | Crime et châtiment | Georges Lampin |
| 1956 | Quelle sacrée soirée | Robert Vernay |
| 1957 | Arènes joyeuses | Maurice de Canonge |
| 1957 | Donnez-moi ma chance | Léonide Moguy |
| 1958 | Secret professionnel | Raoul André |
| 1959 | Rue des Prairies | Denys de La Patellière |
| 1959 | Vous n'avez rien à déclarer ? | Clément Duhour |
| 1960 | Amélie ou le temps d'aimer | Michel Drach |
| 1960 | Française et l'amour : Le Mariage (La) | René Clair |
| 1960 | Menace (La) | Gérard Oury |
| 1960 | Vérité (La) | Henri-Georges Clouzot |
| 1960 | Vive le duc ! | Jean-Marc Landier, Michel Romanoff |
| 1961 | Education sentimentale (L') | Alexandre Astruc |
| 1961 | Sept péchés capitaux : La Colère (Les) | Sylvain Dhomme |
| 1963 | Vie conjugale (La) | André Cayatte |
| 1964 | Bonne occase (La) | Michel Drach |
| 1965 | Journal d'une femme en blanc (Le) | Claude Autant-Lara |
| 1966 | Dacii Les Guerriers | Sergiu Nicolaescu |
| 1966 | Safari diamants | Michel Drach |
| 1968 | Paria (Le) | Claude Carliez |
| 1969 | Afyun wal asa (Al) L'Opium et le bâton | Ahmed Rachedi |
| 1969 | Elise ou La Vraie vie | Michel Drach |
| 1972 | Embassy Baraka à Beyrouth | Gordon Hessler |
| 1973 | 6, rue du calvaire | Jean Daskalidès |
| 1973 | Violons du bal (Les) | Michel Drach |
| 1974 | Dis-moi que tu m'aimes | Michel Boisrond |
| 1977 | Passé simple (Le) | Michel Drach |
| 1980 | Disubbidienza (La) Désobéissance | Aldo Lado |
| 1981 | Anna Une mère, une fille | Márta Mészáros |
| 1981 | Litan | Jean-Pierre Mocky |
| 1989 | Rio Negro | Atahualpa Lichy |
| 1992 | Nombril du monde (Le) | Ariel Zeïtoun |
| 1997 | Nuit du destin (La) | Abdelkrim Bahloul |
| 1997 | Train de vie | Radu Mihaileanu |
| 2003 | Cadeau d'Eléna (Le) | Frédéric Graziani |