Nata in Colombia da padre greco e madre colombiana, ha vissuto tra Roma e Palermo fino all'età di 5 anni, per poi trascorrere il resto dell'infanzia a Salonicco, in Grecia. Dopo essersi diplomata presso la scuola americana Pinewood The International School di Salonicco, s'iscrive alla facoltà di Farmacia al King's College di Londra, seguendo le orme paterne e lavorando saltuariamente come modella. Tuttavia interrompe gli studi per tornare a Roma e iscriversi alla Scuola nazionale di cinema (Centro Sperimentale di Cinematografia). Partecipa alla campagna pubblicitaria di Alessandro D'Alatri per la Repubblica e a quella di Ricky Tognazzi e Simona Izzo per la Smart, ma è grazie allo spot del Kinder Cereali che Nathalie ottiene una certa popolarità. Nel 2005 appare su Canale 5 nella serie televisiva R.I.S. - Delitti imperfetti. In seguito compare anche nella miniserie televisiva di Rai 1 La provinciale (2006), nel cortometraggio Il quarto sesso (2006) e nel film L'abbuffata (2007). Sempre nel 2007 ritorna su Rai 1 con la serie TV Medicina generale, e nel 2008 con la miniserie TV Una madre di Massimo Spano. Ancora nello stesso anno è protagonista del film Ultimi della classe, che le vale un Globo d'Oro come migliore attrice esordiente. Nel 2009 ritorna sul grande schermo con il film Ex di Fausto Brizzi. Inoltre partecipa alle miniserie Bakhita di Giacomo Campiotti, e Piper di Francesco Vicario. Nel 2010 è protagonista insieme a Daniele Liotti nella serie Le due facce dell'amore. Nel 2013 lavora nelle serie Baciamo le mani - Palermo New York 1958 insieme a Virna Lisi, e I segreti di Borgo Larici con Giulio Berruti. Negli anni seguenti prende parte nel film corale L'estate sta finendo di Stefano Tummolini, e inoltre partecipa in vari film internazionali come Romeo and Juliet di Carlo Carlei, Black Butterfly di Brian Goodman e Titanium White di Piotr Smigasiewicz.