Née dans une famille modeste, de Vaast Joseph Prosper Martel (1785-1844) et de Sophie Marie Lecuire (1791-1839). Après Nathalie, le ménage aura quatre enfants, dont trois décédèrent en bas âge : Victoire (1819-1820), Louise Victoire (1823), Louise Eugénie (1827-1828), Prosper (1829-1893) dont descendance (Louise Nathalie Martel, 1860-1930).
Maître perruquier de son état, son père vient s'établir à Paris avec sa famille[2].
Sa carrière[3] débute dans les théâtres des boulevards en 1837. Elle fait remarquer sa beauté, sa gaieté et ses talents de danseuse dans des comédies légères au Palais-Royal, au Gymnase, au Vaudeville et même à Londres. Après dix ans de vie joyeuse, elle souhaite aborder des rôles plus sérieux et est admise à la Comédie-Française en 1848. Elle est nommée 272esociétaire en 1852.
Elle débute dans la Camaraderie de Scribe, dans Marion Delorme de Victor Hugo et dans Une chaîne de Scribe. Elle joue d'abord les grandes coquettes (L'Aventurière, d’Émile Augier), puis les « mères nobles » (Madame de Prie dans Mademoiselle de Belle-Isle d'Alexandre Dumas, Madame Desaubier dans La joie fait peur de Madame de Girardin, la Baronne d'Il ne faut jurer de rien de Musset), reprenant dans cet emploi les rôles de Madame Allan, et interprète aussi les « duègnes » et les « caractères » (Philaminte, Béline, Madame Turcaret...). Elle participe à de nombreuses créations[2] comme le rôle de Madame Roland dans Charlotte Corday (1850) ou Jocaste dans Oedipe Roi (1858).
Une altercation violente l'opposa à la jeune débutante Sarah Bernhardt qui conduisit au départ de cette dernière de la Comédie-Française en 1862. L'anecdote est rapportée, avec nécessairement un peu de partialité, par Sarah Bernhardt elle-même dans ses mémoires[4]. À la cérémonie du Malade imaginaire, Régina la jeune sœur de Sarah Bernhardt marcha sur la robe de Mademoiselle Nathalie. Celle-ci réagit en bousculant vivement la fillette. Scandalisée par la violence du geste, Sarah gifla la sociétaire. Puis, refusant de présenter des excuses, Sarah Bernhardt fut privée de son rôle et donna sa démission.
Dans le film The Incredible Sarah (1976), avec Glenda Jackson dans le rôle titre, le rôle de Mademoiselle Nathalie est joué par Margaret Courtenay.
Mademoiselle Nathalie prit sa retraite de la Comédie Française en 1876.
Elle ne fut pas épargnée par ses contemporains, en témoigne l'épigramme peu sympathique de Théodore de Banville[5] :
« Ci-git la fausse Nathalie, Qui fausses dents à fausse natte allie. »
« Mademoiselle Nathalie devint l'amie intime de Gustave Boulanger. Bien qu'ici ou là, on ait insinué l'idée de mariage, nous n'en avons retrouvé aucune trace écrite[6]. » Boulanger en fit un portrait (1867) qui fût ensuite donné la Comédie Française à la mort de l'actrice.
Mademoiselle Nathalie. Dessin au crayon non daté, non signé.
Mademoiselle Nathalie en Dona Manuela dans Le Guitarero, planche 1449 dans le volume 15 de la Petite galerie dramatique ou Recueil de différents costumes d'acteurs des théâtres de la capitale (Paris, Chez Martinet, 1796-1843).
Mademoiselle Nathalie. Photographie carte de visite par le photographe Franck, 1876.
↑ a et bHenry Lyonnet, Dictionnaire des comédiens français, ceux d'hier : biographie, bibliographie, iconographie.... : E-Z ., t. 2, 19.. (lire en ligne).
↑(en) Hands Agency, « Mademoiselle Nathalie », sur Mademoiselle Nathalie (consulté le ).
↑Sarah Bernhardt, Ma double vie : mémoires / de Sarah Bernhardt, (lire en ligne).
↑Marie-Madeleine Aubrun, « Gustave Boulanger, peintre éclectique », Bulletin de la Société d'histoire de l'art français, no. 72, cat. 110, 1986, p. 170.