Formée au cours Simon, Nathalie Nell débute au cinéma en 1966. André Cayatte lui confie deux rôles de lycéenne dans Les risques du métier (1967) et Mourir d’aimer (1971). Elle joue l’élève mal intentionnée de Jacques Brel dans le premier long métrage, puis celle, bienveillante, d’Annie Girardot dans le second.
La carrière cinématographique de cette actrice au jeu sensible et au beau regard est ensuite en demi-teinte. En 1977, Nathalie Nell est au générique de Baxter, Vera Baxter de Marguerite Duras, et trouve son meilleur rôle dans L’amour violé de Yannick Bellon, dont elle est l’actrice principale.
La suite est plus décevante. Elle campe une prostituée dans Même les mômes ont du vague à l’âme (1980) de Jean-Louis Daniel, et fait partie du casting choral de Qu’est-ce qui fait courir David ? (1982) d’Elie Chouraqui. Elle tourne dix autres films dans ces années 80, dont Les îles (1983) d’Iradj Azimi et États d’âme (1986) de Jacques Fansten. Elle se fait ensuite plus rare au grand écran, n’obtenant que de petits rôles dans La vie moderne (2000) de Laurence Ferreira Barbosa ou La boîte noire (2004) de Richard Berry.
Nathalie Nell a connu une carrière plus fournie à la télévision et au théâtre, où elle a été dirigée par de grands metteurs en scène comme Daniel Mesguich, Lucian Pintilie, Jorge Lavelli, Peter Brook et Giorgio Strehler.
