Natacha Régnier est née à Ixelles (une commune de Bruxelles) en 1974. Très tôt, elle s'intéresse à la comédie et choisit les cours d'expression dramatique de son lycée. Puis elle s'inscrit à l'Académie d'Uccle (Bruxelles) et à l'atelier de théâtre de l'Equilibre. Elle suit ensuite les cours d’art dramatique à l’Institut National Supérieur des Arts du Spectacle et des techniques de diffusion (INSAS, Belgique), et poursuit sa formation avec un coach, Patricia Sterlin, des cours de chant avec Joelle Vautier, et d’expression corporelle avec Chris Gandois.

• Au cinéma

En 1993, elle rencontre Pascal Bonitzer qui l'engage pour jouer Catherine dans Encore (1996). Puis elle interprète le rôle de Marie, dans La vie rêvée des anges, le premier film d'Erick Zonca. Pour ce film, elle reçoit le prix d'interprétation à Cannes en 1998 (avec Elodie Bouchez, sa partenaire), le prix de la meilleure comédienne aux Euopean Award de 1998 et le César du meilleur jeune espoir féminin en 1999.

Elle tourne ensuite sous la direction de François Ozon (Les Amants criminels, 1998) Claude Mourieras (Tout va bien, on s’en va en 1999), Anne Fontaine (Comment j’ai tué mon père, en 2000), Jacques Deschamps (La Fille de son père en 2000 et Vivement le Quichotte en 2004), Emmanuel Bourdieu (Vert paradis 2002, Les amitiés maléfiques en 2005 et Intrusions en 2007), Luc Bondy (Fais pas ça  ! en 2003), Chantal Ackerman (Demain on déménage en 2003), Orso Miret (Silence en 2003), Harry Cleven (Troubles en 2003), Eugène Green (Le Pont des arts en 2004), Benoît Jacquot (Gaspard De Besse en 2005), Jane Birkin (iBoxes, en 2006), Lucas Belvaux (La raison du plus faible en 2006 et 38 témoins en 2011), Angela Schanelec (Orly, Poem 1-4 en 2009), Eric Valette (La proie en 2010), Michel Gondry (L’écume des jours en 2012), Isabelle Czajka (La vie domestique en 2012) et Costa Gavras (Le Capital en 2012) notamment. Gavras.

• Au théâtre

Natacha Régnier entame une carrière au théâtre en 2008 sous la direction de Michel Fagadau dans Le Plan B d’Andrew Payne. Elle joue ensuite sous la direction de Jean-Paul Scarpitta dans C’était Marie-Antoinette d’Evelyne Lever en 2009 puis dans Vivre dans le feu de Marina Tsétaïeva mis en scène par Bérangère Jannelle en 2011 puis Haim : à la lumière d’un violon, mise en scène de Gérald Garutti.

En 2013, elle joue dans La Double mort de l'horloger d'Ödön von Horvath, m.e.s André Engel.

• Chant

En 2001, elle a participé à l’album L’Absente de Yann Tiersen ainsi qu’à la reprise du Parapluie en duo avec ce dernier pour l’album hommage à Georges Brassens, Les Oiseaux de passage. Elle a aussi chanté sur l’album Elles sont Paris produit par Les Toiles Enchantées