Natacha Régnier est née à Ixelles (une commune de Bruxelles). Très tôt, elle s'intéressa à la comédie. Elle choisit les cours d'expression dramatique de son lycée, s'inscrivit à l'Académie d'Uccle (Bruxelles) ou encore à l'atelier de théâtre de l'Equilibre.

Elle doit son premier rôle à Stéphan Carpiaux qui fit d'elle The Motorcycle girl, un court métrage de 1993. Elle rencontra alors Anne Roussel qui lui présenta Pascal Bonitzer. Celui-ci, à la recherche d'une jeune fille pour son long métrage, l'engagea pour jouer dans Encore

Mais la véritable consécration est obtenue avec le rôle de Marie, dans la vie rêvée des anges, le premier film d'Erick Zonca. On lui décerna pour ce film le prix d'interprétation à Cannes (avec Elodie Bouchez, sa partenaire) et le César du meilleur jeune espoir féminin.

Elle enchaîna ensuite avec le controversé film d'Ozon, les Amants criminels dans lequel elle retrouve son compatriote Jérémie Renier.

Quelques semaines plus tard, elle connut Il tempo dell'amore de Giacomo Campiotti.

Natacha espère à chaque tournage trouver la symbiose entre elle, le scénario et le metteur en scène. Si elle craint que cette rencontre ne se fasse pas, elle n'hésite pas à refuser le scénario... Son rêve est de mener une carrière à la Sandrine Bonnaire, un mélange de films d'auteurs et de films populaires.