Attrice teatrale, cinematografica e televisiva francese, ha avuto una delle carriere più originali dal punto di vista della Storia del Cinema francese. Per ben nove volte candidata al Premio César, vincitrice di ben quattro di queste statuette con Si salvi chi può (la vita) (1980), Une étrange affaire (1981), La spiata (1982), Le petit lieutenant (2005), viene insignita persino della Legion d'Onore. Con una lunghissima carriera che consta più di ottanta film e che parte dal 1970, è stata l'attrice più amata dai grandi registi francesi e, anche se poco conosciuta all'estero, è sicuramente una delle attrici più attive del panorama cinematografico europeo.

Studi
Nathalie Baye nasce il 6 luglio 1948 a Mainneville, un piccolo paese dell'Alta Normandia, dai pittori Claude Baye e Denise Coustet. All'età di 14 anni, si iscrive a una scuola di danza di Monaco. Tre anni dopo, parte per gli Stati Uniti, ma ritorna in Francia per continuare a lavorare come ballerina e per frequentare il Simon Course, riuscendo a essere ammessa al Conservatorio, dal quale uscirà laureata nel 1972.

Gli inizi
Dopo un po' di gavetta, appare in Two People (1973) di Robert Wise, ma anche in Effetto notte di François Truffaut (e in molti altri film di questo grande autore) nel ruolo della sceneggiatrice Joëlle, riuscendo, con piccoli passi, a ritagliarsi il posto della brava fidanzata e della provinciale in molte opere per il piccolo e grande schermo.

I César
Nel 1981, vince il suo primo César come miglior attrice non protagonista per Si salvi chi può (la vita) di Jean-Luc Godard. Il premio le farà ottenere anche altre importanti scritture come quelle in Il ritorno di Martin Guerre e nel bellissimo La spiata, che le farà ottenere un altro César, stavolta come miglior attrice protagonista, e segnerà un cambio radicale di carriera con l'offerta di ruoli più ambigui come in J'ai épousé une ombre e En toute innocence. Vincitrice di un terzo César per Une étrange affaire, diventa ufficialmente una delle attrici più significative degli Anni Ottanta e Novanta.

La Coppa Volpi
Nel 1999, dopo anni di alternanza fra teatro, cinema e televisione, ritorna fra i favori di pubblico e critica grazie a Una relazione privata, che le fa ottenere la Coppa Volpi, e con Sciampiste & Co. (2000) di Tonie Marshall. Mentre nel 2002, è addirittura diretta da Steven Spielberg in Prova a prendermi. Lungo tutto questo periodo la sua filmografia si arricchirà di titoli come Il fiore del male, I sentimenti, Non dirlo a nessuno e Laurence Anyways, ottenendo il quarto César per Le petit lieutenant (2005). Nel 2016 lavora con Frédéric Mermoud in Per mio figlio e partecipa al film di Xavier Dolan It's Only the End of the World, selezionato al Festival di Cannes, dopo aver lavorato con il giovane regista già nel 2012 in Laurence Anyways (2012). In seguito viene diretta da Philippe Lacheau in Alibi.com (2017) e in 2 matrimoni alla volta (2023).

Vita privata
Per quattro anni, ha avuto una relazione con Johnny Hallyday, dalla quale ha avuto l'attrice Laura Smet. Prima di lui, è stata la compagna dell'attore francese Philippe Léotard (1972-1982).