Fille d'un couple de peintres, Nathalie Baye suit très jeune des cours de danse à Monaco et à New York avant de s'inscrire au Cours Simon puis au Conservatoire d'art dramatique. Elle y fait la connaissance d'André Dussollier, Jacques Villeret, Jean-Francois Balmer, Jacques Weber et de Francis Perrin. Sortie avec un deuxième prix de comédie, elle joue au théâtre dans Les croulants se portent bien. Elle fait ensuite sa première apparition sur grand écran aux côtés de Peter Fonda dans Brève rencontre à Paris (1972) de Robert Wise puis obtient son premier rôle significatif, une scripte, dans La Nuit americaine de François Truffaut (1973).Après plusieurs petits rôles au cinéma et à la télévision, et après avoir tourné avec son futur compagnon Philippe Léotard dans La Gueule ouverte (1974) de Maurice Pialat, elle retrouve Truffaut pour L'Homme qui aimait les femmes (1977) et surtout La Chambre verte (1978), qui marque véritablement son arrivée au premier plan et fera d'elle une des actrices les plus populaires du cinéma français. Elle remporte d'ailleurs au début des années 80 trois Césars consécutifs : Meilleur second rôle féminin en 1981 pour Sauve qui peut la vie de Jean-Luc Godard et en 1982 pour Une étrange affaire de Pierre Granier-Deferre, puis César de la Meilleure actrice en 1983 pour La Balance de Bob Swaim, dans laquelle elle incarne une mémorable prostituée.Après Detective (1985) de Jean-Luc Godard, son élégance est également sollicitée par les plus grandes réalisatrices françaises : Nicole Garcia (Un week-end sur deux, 1989), Diane Kurys (La Baule-les-Pins, 1989), première collaboration avec Tonie Marshall en 1995 (Enfants de salaud) et avec Jeanne Labrune en 1997 (Si je t'aime, prends garde à toi). Le rôle de l'esthéticienne Angèle de Vénus beauté (institut) lui permet de décrocher une nouvelle nomination aux Césars tandis qu'elle reçoit la coupe Volpi de la Meilleure actrice au Festival de Venise en 1999 pour Une liaison pornographique. Après une transformation radicale pour tenir le rôle de l'exubérante Patsy dans Absolument fabuleux (2001), elle est choisie par Steven Spielberg pour interpréter la mère adultère de Leonardo DiCaprio dans Arrête-moi si tu peux, avant de rejoindre peu après Claude Chabrol sur le tournage de la comédie dramatique 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.
Nathalie Baye et sa fille Laura Smet sont ensuite réunies pour la première fois au cinéma par Xavier Beauvois dans Les Gardiennes, un drame historique se situant en 1915.
