Nathalie Baye est une fille de peintres bohèmes. Dyslexique, elle abandonne ses études à l'âge de 14 ans pour intégrer une école de danse à Monaco. Ce sont alors ses premiers pas d'artiste. Trois ans plus tard, elle part pour les États-Unis afin de parachever sa formation artistique.
À son retour en France, elle poursuit les cours de danse, mais, parallèlement, s'inscrit au cours Simon. Elle est ensuite admise au Conservatoire dont elle sort avec un second prix en Comédie, Comédie Dramatique et Théâtre Étranger en 1972. C'est aussi à cette époque qu'elle effectue ses premières apparitions sur grand écran, dans Brève rencontre à Paris (Two People) de Robert Wise puis dans un rôle de scripte dans La Nuit américaine de François Truffaut. Jusqu'à la fin des années 1970, elle cumule les rôles secondaires de bonne copine ou de gentille provinciale sans sourciller, travaillant aussi parfois pour la télévision. Mais Truffaut qui la réengage pour La Chambre verte en 1978 métamorphose soudainement son image dans un vrai premier rôle, laissant apparaître une part d'elle plus opaque et mélancolique. Son interprétation lui ouvre les portes du cinéma d'auteur. Elle vit alors une dizaine d'années avec Philippe Léotard.
En 1981, elle reçoit le César de la meilleure actrice dans un second rôle pour son interprétation dans Sauve qui peut (la vie) de Jean-Luc Godard. S'ensuit une impressionnante brochette de succès, avec en point d'orgue Le Retour de Martin Guerre de Daniel Vigne et La Balance de Bob Swaim qui font d'elle la star la plus en vue du cinéma hexagonal en 1982. Devenue l'une des comédiennes les plus populaires du pays, elle remporte consécutivement deux nouveaux César : son deuxième pour le meilleur second rôle en 1982 grâce à sa prestation dans Une étrange affaire, puis celui de la meilleure actrice en 1983 pour La Balance. « À la ville », le couple qu'elle forme avec Johnny Hallyday la place sous les feux de l'actualité. Nathalie Baye continue à travailler sans relâche. Après avoir cassé son image en jouant le rôle d'une prostituée, obligée de collaborer avec la police dans La Balance, elle élargit son champ de jeu et incarne désormais des personnages plus obscurs (J'ai épousé une ombre, En toute innocence). Nathalie Baye photographiée par le Studio Harcourt en 1994. La naissance en 1983 de sa fille la pousse à ralentir son rythme de tournage{{Référence souhaitée}}. Si ses apparitions au cinéma deviennent moins fréquentes, elle profite de cette période pour remonter sur les planches en interprétant Adriana Monti en 1986.
Dans les années 1990 et 2000, Nathalie Baye est sollicitée par le cinéma d'auteur où elle est remarquée pour ses interprétations naturalistes et sa manière de composer des femmes à la personnalité complexe, vulnérables mais battantes face à l'adversité : Un week-end sur deux, Mensonge, Une liaison pornographique… Elle renoue avec le succès en salles en 1999 avec Vénus Beauté (Institut) de Tonie Marshall. La même année, elle gagne un Prix d'interprétation à Venise pour Une liaison pornographique.
Elle ne dédaigne pas de jouer dans des comédies comme Absolument fabuleux (dans un rôle complètement déjanté).
Débordante d'activités, elle concilie aujourd'hui cinéma, théâtre et télévision. Depuis 2002, elle enchaîne les tournages et les nouvelles collaborations avec des personnalités comme Claude Chabrol, Steven Spielberg et Noémie Lvovsky.
Quatre ans après Selon Matthieu, sorti en salles en 2001, elle retrouve l'acteur et réalisateur Xavier Beauvois avec Le Petit Lieutenant, qui lui offre le rôle d'un commandant de police revenu d'un drame familial et de l'alcoolisme. Sa prestation lui vaut le quatrième César de sa carrière (son second trophée dans la catégorie {{Citation}}). Après dix ans d'absence au théâtre, Nathalie Baye crée à Vidy-Lausanne, en {{date}}, Zouc par Zouc, un entretien entre Zouc et Hervé Guibert, puis le joue au Théâtre du Rond-Point jusqu'au 30 décembre
En 2008, sont publiés ses émoluments pour 2007 qui en font l'une des célébrités les mieux payées du cinéma français. En 2008, elle tient le haut de l'affiche du nouveau film de Tonie Marshall, Passe-passe et de l'adaptation cinématographique par Josiane Balasko de son propre best-seller publié en 2004 (initialement un scénario refusé par les producteurs), Cliente. Son choix, clairement orienté vers l'éclectisme, lui permet d'alterner productions grand public et cinéma intimiste. En 2010, elle joue dans Ensemble, c'est trop, une comédie de Léa Fezar avec notamment Pierre Arditi, Jocelyn Quivrin (ce fut son dernier film), Éric Cantona ou encore Aïssa Maïga. Elle y joue une femme qui découvre que son mari l'a trompée et s'installe chez son fils, mais la cohabitation va devenir un enfer pour la famille de ce dernier.
Nathalie Baye est également une femme engagée pour la protection de la nature et des animaux. Elle est une amie fidèle du {{Dr}} Jane Goodall et membre de l'Institut Jane Goodall France. Membre du comité d'honneur de l'Association pour le droit de mourir dans la dignité, elle s'implique régulièrement aux côtés de l'association, et cosigne en 2012 un appel aux candidats à l'élection présidentielle leur demandant de s'engager à déposer un projet de loi pour légaliser l'euthanasie.
Elle est nommée Chevalier de la Légion d'honneur le {{date}}.
En octobre 2011 elle est la présidente du jury du {{22e}} Festival du film britannique de Dinard.