Nathalie Baye s-a născut la data de 06.07.1948, în Mainneville, Eure, Franța. Părinții ei au fost Claude Baye și Denise Coustet. A urmat lecții de dans în Monaco la vârsta de 14 ani. La 17 ani, a făcut un turneu cu o companie de dans în Statele Unite. La întoarcerea în Franța, a continuat cu dansul, dar s-a și înscris la cursul Simon pentru Academie, unde a absolvit în 1972 cu accent pe comedie, dramă și teatru. A absolvit CNSAD (Conservatorul Național de Artă Dramatică din Paris). Managerul ei a fost Dominique Besnehard. Cu o înfățișare comună, dar înzestrată cu multă forță dramatică, excelează în portretizarea unor eroine contemporane aflate în fața unor opțiuni hotărâtoare. A rămas cunoscută pentru rolurile sale din filme, precum: La nuit americaine-1973, La gifle-1974, Mado-1976, Sauve qui peut-1980, La provinciale-1981, From Time to Time-1992, Paparazzi-1998, Venus Beaute (institut)-1999, Catch Me If You Can-2002, La fleur du mal-2003, Fiul meu-2006, Acteur-2007, Visage-2009, De vrais mensonges-2010, Laurence Anyways-2012, Prejudice-2015, Moka-2016, Nox-2018, My Best Part-2020. În plan personal, a avut doi parteneri: actorul francez Philippe Leotard, din 1972 până în 1982; cântărețul rock Johnny Hallyday, din 1982 până în 1986. Ea și Johnny au un copil, Laura Smet, născută în 1983, care a adevenit actriță. Baye a fost membru al juriului la Festivalul de Film de la Cannes, în 1996. A fost omagiată la Festivalul Internațional de Film pentru Femei de la Créteil, Franța, în 2002.