Née Francine Canovas au Maroc en août 1941, la future comédienne rencontra en 1962 par hasard dans une boîte de nuit parisienne, à l'âge de 21 ans, Alain Delon, qui était à l'époque fiancé à Romy Schneider. Le comédien rompra finalement ses fiancailles pour se marier avec elle en 1964, dans la plus stricte intimité. Leur enfant, Anthony, naîtra en septembre 1964.

Elle a tourné au total une trentaine de films dans des rôles secondaires jusqu’au début des années 1980, dont L’Armée des ombres (1969), Docteur Justice (1975), de Christian-Jaque, et Une femme fidèle (1976), de Roger Vadim, ou encore Anglaise romantique pour Joseph Losey. Mais elle reste aux yeux du grand public la Jane du Samouraï de Jean-Pierre Melville. Les relations entre Alain et elle seront particulièrement orageuses sur le tournage du film. En 1969, le divorce est prononcé. "Quand je l’ai quitté, j’ai tout laissé derrière moi, je suis partie avec mon fils et ma gouvernante, c’est tout", racontait-t-elle en 2018 à Paris Match, alors qu'Alain Delon refaisait sa vie avec Mireille Darc. Au début des années 80, Nathalie Delon passe derrière la caméra pour signer deux longs métrages : Ils appellent ça un accident en 1982 avec Yves Deschamps, et Sweet Lies, en 1988, dans lequel Treat Williams occupe le haut de l'affiche.