Enfant, Natacha Régnier rêve de cinéma en voyant Catherine Deneuve dans Peau d'âne. Après des cours de comédie dans des conservatoires de quartier, un ami lui propose en 1993 de tourner dans un court-métrage en noir et blanc, The Motorcycle girl. Deux ans plus tard, elle trouve un premier petit rôle dans Dis-moi oui d'Arcady et joue dans plusieurs téléfilms, mais c'est grâce à Encore (1996) de Pascal Bonitzer, où elle interprète une étudiante amoureuse de son prof de philo (Berroyer), que la comédienne est remarquée.

Natacha Régnier connaît très tôt la consécration : à 26 ans elle partage avec sa partenaire Elodie Bouchez le Prix d'interprétation à Cannes pour La Vie rêvée des anges d'Erick Zonca (1998), qui suit l'errance de deux adolescentes en galère dans le Nord de la France. Sourire angélique et regard buté, elle campe une Marie tout en violence contenue, à l'opposé de l'extravertie Isa. Enchaînant avec Les Amants criminels d'Ozon, aux côtés de son quasi-homonyme Jérémie Renier, elle donne la réplique à de grands comédiens dans des films où ceux-ci incarnent une figure paternelle : Piccoli dans Tout va bien, on s'en va, Berléand dans La Fille de son père, et Bouquet dans Comment j'ai tué mon père.

Comédienne subtile et exigeante, Natacha Régnier alterne premiers films et oeuvres de réalisateurs confirmés. Affichant une prédilection pour les univers très personnels, ceux de l'homme de théâtre Luc Bondy, du poète hors-mode Eugene Green (Le Pont des arts, 2004) ou de l'actrice Jane Birkin (Boxes), elle collabore avec ses brillants compatriotes Chantal Akerman (Demain on déménage) et Lucas Belvaux (le drame social La Raison du plus faible, 2006). Jeune auteur passionné par la manipulation et la confusion des sentiments, Emmanuel Bourdieu semble avoir trouvé son égérie, puisque l'actrice au teint diaphane apparaît dans ses trois longs métrages, Vert paradis (2003), Amitiés maléfiques et Intrusions (2008).

Par la suite, Natacha Régnier prête main forte à trois réalisateurs en début de carrière. Elle joue ainsi une mère en souffrance dans 1 journée de Jacob Berger (2009), vit une idylle à l'aéroport d'Orly devant la caméra de Angela Schanelec (id.) et incarne une épouse délaissée dans le drame de Pierre Vinour, Magma (2010). Compagne d'un redoutable tueur en série dans le thriller d'action La Proie en 2011, la comédienne tourne ensuite sous la houlette de prestigieux metteurs en scène comme Costa-Gavras (Le Capital) et Michel Gondry (L'Ecume des jours).

Discrète mais tournant tout de même, Natacha Régnier donne la réplique à Emmanuelle Devos dans La Vie domestique et incarne une mère célibataire dans le film Le Fils de Joseph. L'actrice goûte également aux joies du petit écran via le rôle principal de la série fantastique "Anomalisa" et rejoint en 2017 la distribution du Petit Spirou adapté de la célèbre bande-dessinée.