Baye wurde in den 1970-er Jahren durch Filme von François Truffaut bekannt, etwa "Die amerikanische Nacht" und "Das grüne Zimmer". Sie drehte mit Jean-Luc Godard, Bertrand Blier und Xavier Dolan. In dem internationalen Kinohit "Catch Me If You Can" spielte Natalie Baye an der Seite von Leonardo DiCaprio und Tom Hanks. Mehrfach wurde sie mit dem französischen Filmpreis César ausgezeichnet.