Actrice française, Nathalie Roussel est révélée en 1974 par son rôle dans Les violons du bal (Drach). On la retrouve dans Section spéciale (Costa-Gavras, 1975), Parlez-moi d’amour (Drach, 1975) et Les givrés (Jaspard, 1979). Toutefois, c’est la télévision qui fait davantage appel à elle dans un premier temps puisque seul Michel Drach l’emploie, pour Guy de Maupassant (1982).
Elle délaisse les écrans pour la scène et commence une carrière théâtrale. Nathalie Roussel est à nouveau sollicitée pour tenir le rôle d’Augustine Pagnol dans le diptyque La gloire de mon père / Le château de ma mère (Robert, 1990).
Nathalie Roussel enchaîne avec Simple mortel (Jolivet, 1991), puis un autre diptyque, cette fois-ci d’Henri Verneuil (Mayrig et 588 rue Paradis en 1992 et 1993). La télévision l’appelle à nouveau pendant plusieurs années dans des séries comme Les yeux d’Hélène, Dossier : disparus, Commissariat Bastille, SOS 18, et Hero Corp.
Le cinéma n’est plus qu’un lointain souvenir, même si on revoit Nathalie Roussel à l’occasion dans Les rois mages (Campan, Bourdon, 2001), A l’intérieur (Mauro, Bustillo, 2007), Comme des frères (Gélin, 2012) ou Adopte un veuf (Desagnat, 2016).
