Nathalie Stutzmann naît le , à Suresnes, dans une famille d'artistes lyriques.
Son père, un baryton, et sa mère, une soprano lyrique, lui montrent la voie. Dès son plus jeune âge, Stutzmann fait des études approfondies de piano, basson, musique de chambre et direction d’orchestre3. Elle obtient un premier prix de piano et de musique de chambre en 1982. Elle étudie également le basson et commence ses études de chant avec sa mère, Christiane Stutzmann4.
En 1983, elle gagne le 1er prix de chant et art lyrique du conservatoire de Nancy. Elle entre à l’Opéra de Paris dans la classe de Michel Sénéchal. La même année, elle remplace au pied levé Jessye Norman lors d’un concert privé avec Iouri Bachmet. Elle signe alors son premier contrat chez Erato.
De 1983 à 1987, elle rencontre Hans Hotter, dont elle suit les master class, et débute en 1986 à l’Opéra Garnier dans Didon et Enée de Purcell.
En 2008, elle commence une carrière de chef d'orchestre lors d'une tournée au Japon. En 2009, elle fonde son propre orchestre de chambre, Orfeo 55, un ensemble jouant aussi bien sur instruments baroques que modernes. Son ensemble s’est déjà produit en France, à Metz, Paris, Strasbourg, Angers, Avignon, Toulouse mais aussi en Espagne, notamment à Madrid et Valence, en Suisse, aux Pays-Bas, ainsi que dans les grands festivals, comme ceux de Verbier, Ambronay, St Riquier, Sisteron, Auvers sur Oise ou Sablé sur Sarthe3. L'orchestre a mis fin à ses activités en 20195.
Son disque Prima Donna, sorti en avril 2011, est son premier en tant que chanteuse et chef d'orchestre. Elle y reprend des airs pour contralto d'Antonio Vivaldi extraits d'opéras et oratorios dont Judita Triomphans, Arsilda Regina di Ponto, Tieteberga, Il Giustino, L’Olimpiade, La Costanza trionfante dell ‘Amore e dell’ Odio, Andromeda liberata, l’Altenaïde, Semiramide… En novembre 2012, son disque Une cantate imaginaire est consacré aux airs chantés et pièces orchestrales de Johann Sebastian Bach qu'elle affectionne : Erbarme dich de la Passion selon saint Matthieu, Bist du bei mir, Jésus que ma joie demeure, la Sinfonia de la Cantate BWV 174, la Sinfonia de la Cantate BWV 42… Son dernier disque, Heroes from the Shadows, paru en novembre 2014 chez Erato (label), met en lumière les héros de l’ombre dans les opéras de Georg Friedrich Haendel. On y retrouve des airs extraits de Giulio Cesare, Orlando, Radamisto, Amadigi, Silla ainsi qu'un duo avec le contre-ténor Philippe Jaroussky.
Elle est régulièrement invitée à diriger 'lOrchestre de Philadelphie, l'Orchestre philharmonique de Rotterdam, l'Orchestre philharmonique de Bergen, l'Orchestre philharmonique d'Oslo, le Konzerthausorchester Berlin, l'Orchestre symphonique de la radio-télévision irlandaise, le National Symphony Orchestra de Washington, l'Orchestre philharmonique royal de Stockholm, l'Orchestre philharmonique de Monte-Carlo, l'Orchestre symphonique de Saint-Louis, l'Orchestre du Minnesota, l'Orchestre philharmonique d'Oslo, l'Orchestre Symphonique de Göteborg...
En février 2017, elle a été unanimement saluée par la presse6 et le public avec sa direction de Tannhäuser de Wagner à l’Opéra de Monte-Carlo. En 2018, elle a dirigé Mefistofele de Boito aux Chorégies d’Orange à la tête de l'Orchestre philharmonique de Radio France avec tout autant de succès.7.
Elle est sous contrat d'exclusivité avec la maison de disque Erato, aussi bien comme chanteuse que chef d'orchestre8.