Натали Бэй родилась 6 июля 1948 в городе Мэнвиль, Франция. Ее родители были художники, ведущие богемный образ жизни. Учеба давалась маленькой Натали нелегко, поскольку она страдала дислексией. В 14 лет она бросила школу и поступила в школу танцев в Монако, а в 17 отправилась в Нью-Йорк учиться балету. Вернувшись во Францию, Натали Бэй заинтересовалась театром и поступила в актерскую школу Cours Simon, затем в Парижскую консерваторию.
Дебют Натали Бэй на большом экране состоялся в 1972 году: она сыграла роль второго плана в комедийной мелодраме Нины Компанеец «Фостин и прекрасное лето». Кроме этого Бай была занята в спектаклях парижского Театра Коммуны. Вскоре произошла встреча, которая определила дальнейшую судьбу начинающей актрисы: Натали познакомилась с Франсуа Трюффо, который предложил ей роль в своем фильме «Американская ночь». Гордая доверием, которое оказал ей самый заметный режиссер «новой волны», Бэй также приняла участие в картинах Трюффо «Мужчина, который любил женщин» и «Зеленая комната».
Вслед за Трюффо на Натали Бэй обратили внимание другие известные режиссеры: Морис Пиала и Жан-Люк Годар. Роль в драме Годара «Спасайся, кто может» принесла Бэй премию «Сезар» в номинации «Лучшая актриса второго плана». Через год она получила второй «Сезар» за роль в фильме Пьера Гранье-Дефера «Странное дело». Роли в драмах «Неделя отпуска» и «Провинциалка» обеспечили актрисе любовь массового зрителя.
В 1982 году она появилась в двух коммерчески успешных фильмах - «Возвращение Мартина Герра» и «Доносчик». За роль проститутки в криминальном боевике Боба Свэма «Доносчик» Бэй получила премию «Сезар» в номинации «Лучшая актриса». Главная роль в драме «Я вышла замуж за тень» подкрепила звездный статус Натали Бэй. Но, даже став одной из самых востребованных актрис коммерческого кино, она продолжала сниматься в авторских фильмах - таких, как «Наша история» Бертрана Блие и «Детектив» Жана-Люка Годара.
В конце 80-х Натали Бэй появлялась на экранах сравнительно редко. В 1990 году сыграла одну из своих самых знаменитых ролей - роль разведенной матери Камиллы Вальмон в дебютном фильме Николь Гарсии «Уик-энд на двоих». В 1999 году Натали Бэй снялась в мелодраме Тони Маршалл «Салон красоты «Венера»» вместе с Одри Тоту и получила приз Венецианского кинофестиваля за главную роль в фильме Фредерика Фонтейна «Порнографические связи». В 2002 году актриса снялась в авантюрной трагикомедии Стивена Спилберга «Поймай меня, если сможешь» вместе с Леонардо ДиКаприо и Томом Хэнксом.
В 2000 годы Натали Бэй уделяла немало внимания комедиям: «Ваш выбор, мадам», «Один уходит - другой остается». Исполнив роль «железной леди»-политика в триллере Клода Шаброля «Цветок зла», Натали Бэй появилась в амплуа хрупкой и ранимой женщины в фильмах режиссеров нового поколения: мелодрамах «Чувства» и «Я так долго ждал тебя», а также в криминальной драме Ксавье Бовуа «Молодой лейтенант». В 2008 году Натали Бэй исполнила главную роль в мелодраме «Клиентка французского жиголо», в 2009 снялась в комедии о тяготах семейной жизни «Вместе - это слишком». В 2010 актриса году она появилась в драме «Маленький мир» вместе с Жераром Депардье, а также снялась с Одри Тоту в драме «Комплексный уход».