Nathalie Loubeyre a fait ses premières armes au cinéma en tant que scripte et assistante du cinéaste d'origine chilienne Raoul Ruiz, avec lequel elle a travaillé sur de nombreux films dont Richard III, et La vie est un songe. Pendant de nombreuses années, elle a réalisé des documentaires, dont plusieurs dans le cadre de magazines populaires diffusés sur les grandes chaînes de télévision françaises. Elle a signé les scénarii de trois longs métrages : Monnaie de singe (qui lui a valu le 1er prix au marathon de scénario de Lussas en 1990), Juliette dans les îles et Marie-Ange et les autres. Elle a écrit et réalisé Fragments, un court métrage de fiction en couleur qui a été primé au Festival de courts métrages de Grenoble, en 1989, et sélectionné, la même année, au Festival International de Films de femmes de Créteil ainsi qu'au Festival national de Lausanne. Elle signe également les textes de deux séries documentaires dont la production est en cours : Paysages d'auteurs (FR3) et Mythes et réalités (Canal+).