Fille de peintres bohèmes, Nathalie Baye, enfant dyslexique, abandonne ses études à 14 ans pour intégrer une école de danse à Monaco. A 17 ans, elle part à New York compléter sa formation dans les ballets russes. Mais à son retour, elle s'oriente vers le théâtre, et entre au Cours Simon puis au Conservatoire. En 1972, alors que Faustine et le bel été marque sa première apparition au cinéma, elle fait une rencontre décisive, celle de François Truffaut, qui lui offre le rôle de la scripte dans La Nuit américaine. Preuve de la confiance que lui accorde le maître de la Nouvelle Vague, elle prête sa voix à l'énigmatique standardiste de L'Homme qui aimait les femmes et, surtout, donne la réplique au cinéaste dans un de ses films les plus personnels, La Chambre verte (1978).

Nathalie Baye travaille très tôt avec deux autres grands réalisateurs : Pialat (La Gueule ouverte, 1974) et Godard. Celui-ci la dirige dans Sauve qui peut la vie, qui lui vaut le César du Meilleur second rôle en 1981, récompense qu'elle décrochera l'année suivante pour Une étrange affaire. Aux suffrages des cinéphiles viennent s'ajouter ceux du grand public, qui s'identifie à cette comédienne discrète au sourire charmeur, jouant les profs chez Tavernier (Une semaine de vacances, 1980) et les Provinciales chez Goretta. A l'affiche de deux succès de 1982, Le Retour de Martin Guerre et La Balance, elle décroche, pour sa composition de prostituée dans le film de Bob Swaim, le César de la Meilleure actrice en 1983. Si le mélo J'ai épousé une ombre asseoit son statut de star, elle n'en continue pas moins de tourner avec les rois de la déconstruction Blier (Notre histoire) et Godard (Détective).

Moins présente sur les écrans à partir de la fin des années 80, Baye trouve en 1990 un de ses plus beaux rôles, celui d'une mère divorcée qui perd pied, dans le premier film de Nicole Garcia, Un week-end sur deux. En 1999, année-charnière, elle retrouve les faveurs des spectateurs en campant une des esthéticiennes du très couru Vénus beauté de Tonie Marshall et obtient le Prix d'interprétation à Venise pour Une Liaison Pornographique. Redevenue une actrice de premier plan, elle est choisie par Spielberg pour incarner la mère de DiCaprio dans Arrête-moi si tu peux (2002). Longtemps abonnée aux rôles de femme raisonnable, la comédienne n'hésite plus à laisser libre cours à sa fantaisie (Ca ira mieux demain, L'Un reste, l'autre part).

Politicienne sans scrupules pour Chabrol (La Fleur du mal), Nathalie Baye, très sollicitée par les cinéastes de la jeune génération, incarne au contraire des femmes vulnérables pour Noémie Lvovsky (Les Sentiments), Thierry Klifa (Une vie à t'attendre) ou encore Xavier Beauvois (Le Petit lieutenant, 2005). En 2008, elle retrouve Josiane Balasko, sept ans après Absolument fabuleux, qui la dirige cette fois dans Cliente. Fuyant les difficultés de sa vie dans Ensemble c'est trop (2009) avec Pierre Arditi, elle en retrouve les fantaisies et les joies dans De vrais mensonges de Pierre Salvadori, de nouveau aux côtés d'Audrey Tautou. Pour la sixième fois à l'affiche d'un film avec Gérard Depardieu dans Small World (2010), l'actrice est également sollicitée par le jeune prodige du cinéma, Xavier Dolan, qui lui offre le rôle de la mère d'un homme voulant changer de sexe, dans Laurence Anyways.

L'actrice continue ensuite de jongler avec les genres avec brio ; on la voit notamment dans le thriller L'Affaire SK1, revenant sur la traque du tueur en série Guy Georges. Elle retourne ensuite du côté de la comédie avec Les Reines du ring et Lou ! Journal infime. Nathalie refait ensuite un détour par le thriller avec La Volante en 2015 avant de briller dans les drames Préjudice et Moka aux côtés d'Emmanuelle Devos. L'actrice tourne à nouveau sous la direction de Xavier Dolan en 2016 avec Juste la fin du monde. Elle y incarne la mère exubérante de Gaspar Ulliel, Vincent Cassel et Léa Seydoux. L'année suivante, l'artiste joue pour la première fois avec sa fille Laura Smet dans la série Dix pour Cent.

Les deux femmes sont ensuite réunies pour la première fois au cinéma par Xavier Beauvois dans Les Gardiennes, un drame historique se situant en 1915. Mère d'Elodie Fontan dans la lucrative comédie Alibi.com (qui donne lieu à une suite en 2023), la comédienne trouve des rôles notables dans les comédies dramatiques Garçon Chiffon, Haute couture et Lui, ainsi que le drame La Nuit du verre d'eau.