Nathalie Baye est née à Mainneville, dans l'Eure. Fille d'un couple de peintres, elle suit d'abord des cours de danse à Monaco, puis à New York. De retour à Paris, elle s'inscrit au Cours Simon puis entre au Conservatoire d'art dramatique, où elle se lie d'amitié avec André Dussollier, Jacques Villeret, Jean-François Balmer, Jacques Weber et Francis Perrin. Elle en sort avec un deuxième prix de comédie. On la voit alors au théâtre dans "Les croulants se portent bien" et au cinéma, elle donne la réplique à Peter Fonda dans un petit rôle