Nathalie Baye est née le 6 juillet 1948 à Mainneville, dans l'Eure. Fille d'un couple de peintres bohèmes sans le sou, Nathalie Baye, alors dyslexique et mauvaise élève, abandonne ses études à 14 ans et part à Monaco suivre l'enseignement de Marika Besobrasova, le professeur de danse classique ayant formé Noureev. À 17 ans, Nathalie Baye passe un an aux Etats-Unis pour compléter sa formation dans les ballets russes. Dès son retour, elle s'oriente plutôt vers le théâtre, et entre au Cours Simon puis au Conservatoire d'art dramatique où elle se lie d'amitié avec Jacques Villeret, André Dussollier, Jacques Weber, Francis Perrin et Jean-François Balmer. Elle en sort avec un deuxième prix de comédie.
Nathalie Baye débute au théâtre dans Les Croulants Se Portent Bien ainsi qu' au cinéma dans une courte scène dans Brève Rencontre de Robert Wise où elle donne la réplique à Peter Fonda.
En 1972, alors que Faustine Et Le Bel Été marque sa première vraie apparition au cinéma, elle fait une rencontre décisive, celle de François Truffaut, qui lui donne sa vraie première chance en lui offrant le personnage de la “printanière” script-girl de La Nuit Américaine (1973).
Nathalie Baye travaille très tôt avec deux autres grands réalisateurs : Pialat, dans La Gueule Ouverte (1974) aux côtés de Philippe Léotard qui deviendra le compagnon de sa vie, et Godard, dans Sauve Qui Peut La Vie, qui lui vaut le César du Meilleur second rôle en 1981.
Nathalie baye joue également au théâtre dans Liola, de Pirandello.
Afin de ne pas sombrer dans l' inactivité qui menace nombre de comédiens, Nathalie Baye, toujours avide de se perfectionner, accepte quelques petits rôles cinématographiques et apparaît à la télévision avant de retrouver le maître de la Nouvelle Vague, François Truffaut pour L'Homme Qui Aimait Les Femmes (1977) où Nathalie Baye prête sa voix à l'énigmatique standardiste, et surtout La Chambre verte (1977) où elle incarne l’assistante d’un commissaire-priseur qui partage la ferveur nécrophile du héros tragique auquel Truffaut donne ses traits.
Commence alors pour Nathalie Baye une période marquante dans sa carrière où, sous la direction de metteurs en scène de renoms, elle trouve des rôles tout en nuances, devenant rapidement l’héroïne de la classe moyenne du cinéma français. Bertrand Tavernier en fait ainsi une jeune enseignante déprimée dans Une Semaine De Vacances (1980) où son jeu tout en subtilité et son élégance naturelle conquiert le public, et Eduardo de Gregorio une documentaliste inquiète dans La Mémoire courte (1979) tandis que Claude Goretta la voit en touchante Petite provinciale dans le film du même nom réalisé en 1980.
En 1981, Nathalie Baye se voit remporter le César du meilleur second rôle féminin pour Une Etrange Affaire de Pierre Granier-Deferre avant d'être à l'affiche de deux succès. Le premier pour le rôle d'une veuve flouée dans Le Retour De Martin Guerre, et le second pour son interprétation d'une prostituée dans La Balance de Bob Swaim pour lequel elle décroche le César de la Meilleure actrice en 1983.
Nathalie Baye connaît également un succès inattendu avec J'ai Épousé Une Ombre de Robin Davis. Elle est aussi l'égérie de Jean-Luc Godard le temps du long métrage Détective (1985) qui médiatise sa relation avec Johnny Hallyday.
Moins présente sur les écrans à partir de la fin des années 80, Nathalie Baye tourne 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.
La comédienne prend son mal en patience et continue de travailler ses rôles avec fougue et passion. En 1999, sa carrière est brusquement relancée par l'interprétation de personnages de femmes mûres désabusées. En 1999, Nathalie Baye retrouve les faveurs du grand public en interprètant une des esthéticiennes du très couru Vénus beauté de Tonie Marshall, puis obtient le Prix d'interprétation à Venise pour Une Liaison Pornographique de Frédéric Fonteyne avec pour partenaire Sergi Lopez.
Redevenue une actrice de premier plan, elle est même choisie par Spielberg pour incarner la mère de DiCaprio dans Arrête-moi si tu peux (2002).
Politicienne sans scrupules pour Chabrol, elle apparaît dans La Fleur Du Mal sous les traits d' une bourgeoise de province se présentant à des élections municipales.
Longtemps abonnée aux rôles de femme raisonnable, Nathalie Baye ne cesse de tourner avec des prises de risque de plus en plus grandes en acceptant notamment de jouer dans les premiers longs métrages de jeunes réalisateurs et 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).
Nathalie Baye est entrée au dictionnaire à l'occasion de l'édition 2006 du Petit Larousse.