Diplômée du Conservatoire national supérieur d’art dramatique en 1972, elle débuta au théâtre en 1970 et au cinéma en 1972.
Avec une filmographie de plus de quatre-vingts longs métrages depuis 1970, Nathalie Baye fut l’une des actrices les plus prolifiques et polyvalentes du cinéma français. Son jeu fut récompensé par quatre César sur dix nominations, et elle fut la seule actrice à avoir remporté un César durant trois années consécutives. Dans les années 1990, bien que moins présente sur les écrans, elle continua à jouer des rôles principaux dans des films tels que La Baule-les-Pins de Diane Kurys et Un week-end sur deux de Nicole Garcia. La décennie suivante lui permit de diversifier son répertoire, alternant entre productions grand public et œuvres plus intimistes.
Elle forma avec Johnny Hallyday un couple médiatisé dans le paysage culturel français des années 1980, union qui donna naissance à une fille, l’actrice Laura Smet.
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