Née à Genève, Nathalie Chatelain commence l’étude de la harpe à l’âge de 11 ans avec Catherine Eisenhoffer au Conservatoire de Musique de Genève. Entrée en 1984 au Conservatoire de Lausanne, elle y obtient son diplôme d’Enseignement en 1986, un 1er prix de Virtuosité avec félicitations unanimes du Jury en 1988, puis une Licence de Concert en 1990, dans la classe de Chantal Mathieu-Balavoine. Elle a suivi les cours de perfectionnement avec Nicanor Zabaleta, Jacqueline Borot , Germaine Lorenzini et Marielle Nordmann.

Elle reçoit en 1989 le Prix Maurice Sandoz, est lauréate de la Bourse aux jeunes interprètes organisée par la Radio Suisse Romande, ainsi qu’une bourse d’études de la Fédération des Coopératives Migros de 1989 à 1992. 2ème Prix au Tournoi International de Musique de Rome en 1998.

Elle est invitée à se produire en solo ou en musique de chambre dans différents festivals: Journées de la Harpe en Arles, Symposium Européen d’Amsterdam, Festival de Harpe en Avesnois, Festival Amadeus de Genève, Festival du Château de Bourglinster au Luxembourg, Festival International de Musique de Nouvelle-Calédonie, Congrès Mondial de la Harpe à Prague, Purdue Festival en Indiana (USA), Congrès Mondial de la Harpe à Genève, Congrès Mondial de la Harpe à Dublin, Festival de musique de chambre à Ottawa et Montréal, Symposium Européen de la Harpe à Lyon, Festival Agricola en Pologne, Festival Glissando en Allemagne. Elle a été invitée en mars 2007, pour donner une série de récitals et de master class aux USA (Denver, Seattle, San Francisco), ainsi qu'en Suède et en Serbie. En 2008 elle s'est produite au Festival International de Rio de Janeiro.

Parallèlement à sa carrière de soliste, Nathalie Chatelain a consacré une partie de son temps à la pédagogie, en ayant enseigné pendant 10 ans (1990 à 2001) au Conservatoire de Musique de Berne et en organisant des stages d’été (Estivarp). Elle est souvent demandée pour participer à des jurys d'examens, et des Jury Internationaux (Rovere d'Oro - Italie, VDH - Allemagne, Serbie, etc...)

Elle se consacre actuellement à sa carrière musicale. Elle fait partie du Quatuor de harpes "Harpège", créé en 1990, avec trois de ces collègues. Elle garde cependant une place privilégiée au récital.

En 2002, elle fait partie du Comité Artistique qui accueille le Congrès Mondial de la Harpe à Genève. En 2004, elle fait partie du Comité qui accueille le Symposium Européen de la Harpe à Lyon. Depuis 2004, elle est Présidente de l'Association Suisse de la Harpe. Professeur agrée SSPM depuis 1995, et professeur à l'AMA depuis 2003 (Association pour la musique aux adultes).

Nathalie Chatelain propose un large répertoire composé d'oeuvres originales mais également de transcriptions. Quant au répertoire avec orchestre, elle jour fréquemment le "Concerto pour flûte et harpe" de W. A Mozart, les "Concerto en sib majeur" de G.F. Haendel, les "Danses sacrées et profanes" de C. Debussy, "L'Introduction et Allegro" de M. Ravel, le "Concerto" de A. Ginastera, le "Concerto" de A.F. Boildieu, pour ne citer qu'eux.

Nathalie Chatelain a enregistré huit différents disques, avec différents ensembles de musique de chambre, et deux en solo.