Formée au Conservatoire national supérieur d’art dramatique, Nathalie Richard débute au cinéma en 1983, et sur scène quatre ans plus tard. Au théâtre, elle a mené un parcours régulier, avec pour metteurs en scène Jean-Pierre Vincent, Jean-Louis Benoît ou Simon Stone. Au grand écran, Nathalie Richard privilégie le cinéma d’auteur. Elle fait souvent confiance à de jeunes réalisateurs qui la font tourner dans leurs courts métrages.
Dans les années 80, elle joue l’une des coiffeuses de Golden Eighties (1986) de Chantal Akerman, avant d’être vraiment révélée dans La bande des quatre (1988) de Jacques Rivette, qui lui vaut le prix Michel-Simon. Nathalie Richard est ensuite serveuse dans Bar des rails (1992) de Cédric Kahn, avant de retrouver Rivette avec Jeanne la Pucelle (1994) et Haut bas fragile (1995). C’est toutefois Catherine Corsini qui lui offre son meilleur rôle avec Les amoureux (1994), dans lequel elle partage l’affiche avec le jeune Pascal Cervo.
Elle rejoint ensuite le casting de l’étonnant Irma Vep (1996) d’Olivier Assayas, avant d’interpréter une série de seconds rôles. On peut citer l’amie intime de Pascal Greggory dans La confusion des genres (2000) d’Ilan Duran Cohen, ou la mère dépassée dans Zim and Co. (2005) de Pierre Jolivet. Elle est également dirigée par James Ivory, Éric Caravaca ou Arnaud des Pallières. On la retrouve dans Jeune et jolie (2013) de François Ozon, qui lui confiera un bref rôle d’officier de police dans Tout s’est bien passé (2021).
Dans les années 2010, on la voit aussi en agente immobilière dans Happy End (2017) de Michael Haneke, ou en professeure dans Fatima (2015) de Philippe Faucon et Les garçons sauvages (2017) de Bertrand Mandico. Intransigeante dans ses choix et d’une justesse de jeu, Nathalie Richard est une actrice précieuse qui privilégie la qualité des rencontres artistiques à la notoriété publique.