Nathalie Richard commence sa carrière par la danse et le théâtre. Après une année de chorégraphie à New York, elle entre au Conservatoire d'Art Dramatique de Paris en 1983 où elle reste trois ans. Elle débute au cinéma en 1986 par un petit rôle de coiffeuse dans Golden Eighties de Chantal Akerman. Si c'est Catherine Corsini qui lui offre un premier rôle en 1993, dans Les Amoureux, c'est sa rencontre avec Jacques Rivette qui est déterminante pour sa carrière cinématographique. La Bande des quatre inaugure en 1988 une collaboration de trois films avec Jeanne la Pucelle, les prisons (1994) et Haut bas fragile (1995), sur lequel elle participe également à l'écriture. S'ensuit un rôle de femme de caractère dans L' Éducatrice, de Pascal Kané, qui se déroule dans un centre pour adolescents à problèmes.

Actrice discrète, Nathalie Richard sait se rendre précieuse aux yeux de ses réalisateurs, avec qui elle tourne souvent plus d'une fois comme dans les films de Olivier Assayas : L' Enfant de l'hiver puis Irma Vep (en costumière bisexuelle). C'est d'ailleurs ce rôle qui la fait repérer par le cinéma indépendant américain, et l'actrice s'envole aux États-Unis pour tourner Afraid of Everything (inédit). Sa large gamme d'émotions lui permet de varier ses rôles : "ce qui m'attire c'est de pouvoir jouer avec mes limites, de travailler la plus grande variété possible de situations ou d'émotions". En 2003, Nathalie Richard a interprété un rôle dans Caché de Michael Haneke, film primé à Cannes et aux European Film Awards, avant de se retrouver à deux reprises dans un film intimiste, Les Enfants de Christian Vincent et Le Passager de Eric Caravaca.

Sa sensibilité apparente, qui cache une forme de rébellion intérieure lui permet de tenir des rôles de femmes indépendantes, mais qui cache une profonde tristesse comme dans Avant le jour, où elle interprète une photographe en plein doutes sur l'existence. Comme il l'avait déjà fait travailler dans son court-métrage C'est trop con plusieurs années auparavant, Jean-Pierre Darroussin engage Richard pour son premier "long" : Le Pressentiment (2005). Elle collabore par deux fois avec le réalisateur Alfred Lot, pour le polar La Chambre des morts avec Mélanie Laurent, et joue une psy tentant d'aider un Michel Blanc que tout accable dans Une petite zone de turbulences (2009).

La réalisatrice Sarah Bouyain fait appel à elle pour jouer l'amie solitaire d'Assita Ouedraogo dans Notre étrangère, film sur le destin de trois femmes métisses.