Elle abandonne ses études à 14 ans pour sa passion, la danse. Elle prend des cours avec une ballerine russe à Monaco et trois ans plus tard, part aux Etats-Unis tenter sa chance. Jeune fille au pair pour subvenir à ses besoins, elle travaille la danse six heures par jour et participe aux tournées du Harkness Ballet. De retour en France, elle s'inscrit au cours Simon et entre au conservatoire d'art dramatique de Paris.
Pour sa première apparition au cinéma, en 1972, elle donne la réplique à Peter Fonda dans un petit rôle de Brêves rencontres à Paris (Robert Wise). La même année François Truffaut la révèle en France en la faisant jouer dans La nuit américaine. Puis le cinéaste lui donne le rôle féminin de La chambre verte (1978), son film le plus austère sur le travail de deuil. Un an plus tard, Nathalie Baye diversifie son répertoire avec Sauve qui peut (la vie) (Godard) où elle interprète la maîtresse de Jacques Dutronc, et qui lui vaut son premier César. Le retour de Martin Guerre (Daniel Vigne, 1981) rend l'actrice très populaire.
Changement total de registre la même année, puisque Pierre Granier-Deferre lui donne le rôle de l'épouse délaissée de Gérard Lanvin dans la comédie dramatique Une étrange affaire ; ce rôle lui vaut un César. Avec son interprétation sensuelle et volontaire dans La balance (Rob Swaim, 1982) elle ressuscite le tandem prostituée-flic (avec Richard Berry), s'éloigne de son image de jeune femme sage, et remporte un nouveau César. En 1987 on voit Nathaie Baye dans De guerre lasse (Robert Enrico), une adaptation du roman de Françoise Sagan avec Pierre Arditi et Christophe Malavoy. Elle retrouve Richard Berry pour former un couple déchiré dans une comédie nostalgique de Diane Kurys La Baule-les pins (1989). Dans Un week-end sur deux (Nicole Garcia, 1989), en mère divorcée à bout de nerfs, elle se fait une spécialité des rôles de femmes dignes et fragiles.
L'actrice est à l'aise dans tous les registres ; elle enchaîne les rôles forts dans les années 90, on peut citer ses interprétations dans la comédie dramatique Enfants de salauds (Tonie Marshall, 1995), la romance sombre Si je t'aime, prends garde à toi (Jeanne Labrune, 1997), et bien sûr la comédie sociale Vénus beauté (institut) (Tonie Marshall,1998).
En 2002 Nathalie Baye joue la discrète figure maternelle de Leonardo DiCaprio dans Arrête moi si tu peux (Spielberg). Elle obtient un quatrième César pour son interprétation de Caroline Vaudieu dans Le petit lieutenant (Xavier Beauvois, 2004), un personnage de femme flic qui n'a plus rien à attendre de la vie après la mort de son fils de sept ans. Nouvelle figure de mère dans Michou d'Auber (Thomas Gilou, 2005) : elle incarne Gisèle qui recueille un petit Algérien durant les "événements". Nathalie Baye retrouve Tonie Marshall dans Passe Passe (2007), où elle campe une bourgeoise en cavale, aidée par Edouard Baer.
L'actrice semble de plus en plus privilégier les films d'auteurs ou de nouveaux réalisateurs, tels De vrais mensonges (Pierre Salvadori, 2009), Ensemble c'est trop (Léa Fazer, 2009) ou Je n'ai rien oublié (Bruno Chiche, 2010).
Nathalie Baye apparaît régulièrement sur les scènes de théâtres et dans des téléfilms.
1995 | Mère (La) | Caroline Bottaro |
1972 | Nuit américaine (La) | François Truffaut |
1972 | Two People Brève rencontre à Paris | Robert Wise |
1973 | Gueule ouverte (La) | Maurice Pialat |
1974 | Gifle (La) | Claude Pinoteau |
1974 | Un jour, la fête | Pierre Sisser |
1975 | Plein de super (Le) | Alain Cavalier |
1975 | Ultima donna (L') La Dernière femme | Marco Ferreri |
1975 | Voyage de noces (Le) | Nadine Trintignant |
1976 | Communion solennelle (La) | René Féret |
1976 | Homme qui aimait les femmes (L') | François Truffaut |
1976 | Mado | Claude Sautet |
1977 | Chambre verte (La) | François Truffaut |
1977 | Monsieur Papa | Philippe Monnier |
1978 | Mémoire courte (La) | Eduardo de Gregorio |
1978 | Mon premier amour | Elie Chouraqui |
1979 | Je vais craquer | François Leterrier |
1979 | Sauve qui peut (la vie) | Jean-Luc Godard |
1980 | Beau-père | Bertrand Blier |
1980 | Provinciale (La) | Claude Goretta |
1980 | Une semaine de vacances | Bertrand Tavernier |
1981 | Ombre rouge (L') | Jean-Louis Comolli |
1981 | Retour de Martin Guerre (Le) | Daniel Vigne |
1981 | Une étrange affaire | Pierre Granier-Deferre |
1982 | Balance (La) | Bob Swaim |
1982 | J'ai épousé une ombre | Robin Davis |
1984 | Détective | Jean-Luc Godard |
1984 | Notre histoire | Bertrand Blier |
1984 | Rive droite, rive gauche | Philippe Labro |
1985 | Lune de miel | Patrick Jamain |
1985 | Neveu de Beethoven (Le) | Paul Morrissey |
1987 | De guerre lasse | Robert Enrico |
1987 | En toute innocence | Alain Jessua |
1988 | Gioco al massacro [Le Roi blessé] | Damiano Damiani |
1989 | Affaire Walraff (L') | Bobby Roth |
1989 | La Baule-Les Pins | Diane Kurys |
1989 | Un week-end sur deux | Nicole Garcia |
1991 | Mensonge | François Margolin |
1991 | Voix (La) | Pierre Granier-Deferre |
1992 | And the Band Played On Les Soldats de l'espérance | Roger Spottiswoode |
1994 | Machine (La) | François Dupeyron |
1995 | Enfants de salaud | Tonie Marshall |
1996 | Food of Love | Stephen Poliakoff |
1997 | Paparazzi | Alain Berbérian |
1997 | Si je t'aime, prends garde à toi | Jeanne Labrune |
1998 | Vénus beauté (institut) | Tonie Marshall |
1999 | Ca ira mieux demain | Jeanne Labrune |
1999 | Une liaison pornographique | Frédéric Fonteyne |
2000 | Absolument fabuleux | Gabriel Aghion |
2000 | Barnie et ses petites contrariétés | Bruno Chiche |
2000 | Selon Matthieu | Xavier Beauvois |
2002 | Catch Me If You Can Arrête-moi si tu peux | Steven Spielberg |
2002 | Fleur du mal (La) | Claude Chabrol |
2002 | France boutique | Tonie Marshall |
2002 | Sentiments (Les) | Noémie Lvovsky |
2003 | Ant Bully (The) Lucas, fourmi malgré lui | John A. Davis |
2003 | Une vie à t'attendre | Thierry Klifa |
2004 | Petit lieutenant (Le) | Xavier Beauvois |
2004 | Un reste, l'autre part (L') | Claude Berri |
2005 | Californie (La) | Jacques Fieschi |
2005 | Michou d'Auber | Thomas Gilou |
2005 | Mon fils à moi | Martial Fougeron |
2005 | Ne le dis à personne | Guillaume Canet |
2006 | Prix à payer (Le) | Alexandra Leclère |
2007 | Bureaux de Dieu (Les) | Claire Simon |
2007 | Cliente | Josiane Balasko |
2007 | Passe-passe | Tonie Marshall |
2008 | Visage | Ming-liang Tsai |
2009 | De vrais mensonges | Pierre Salvadori |
2009 | Ensemble c'est trop | Léa Fazer |
2009 | Hitler à Hollywood HH, Hitler à Hollywood | Frédéric Sojcher |
2010 | Je n'ai rien oublié | Bruno Chiche |
2011 | Laurence Anyways | Xavier Dolan |
2012 | Reines du ring (Les) | Jean-Marc Rudnicki |
2013 | Affaire SK1 (L') | Frédéric Tellier |
2013 | Lou ! Journal infime | Julien Neel |
2014 | Préjudice | Antoine Cuypers |
2014 | Volante (La) | Christophe Ali, Nicolas Bonilauri |
2015 | Juste la fin du monde | Xavier Dolan |
2015 | Moka | Frédéric Mermoud |
2016 | Alibi.com | Philippe Lacheau |
2016 | Gardiennes (Les) | Xavier Beauvois |
2019 | Garçon chiffon | Nicolas Maury |
2019 | Haute couture | Sylvie Ohayon |
2020 | Lui | Guillaume Canet |