A la suite de ses études de clarinette au Conservatoire National de Région de Lyon, Nathalie Marin s’engage dans la direction d’orchestre. Elle part aux États-Unis pour suivre des Master Classes de direction d’orchestre à l’University of South (Tennessee) avec Kenneth Kiesler. Elle donne à cette occasion une série de concerts avec le Sewanee Chamber Orchestra. Elle participe ensuite aux Rencontres Musicales du Domaine Forget au Canada. Très attirée par la musique contemporaine, elle suit un stage avec Peter Eotvos et est choisie pour diriger le concert final du Festival Bartok à Sombathely (Hongrie). Trois années de travail avec Jean Claude Hartemann lui permettent d’approfondir le répertoire Lyrique.
Elle est chef d’orchestre des Rencontres Lyriques de Luchon de 1994 à 1996. Elle dirige également l’Orchestre Philharmonique des Jeunes d’Israël, en tournée au Festival du Verbier (Suisse).
Nathalie Marin a été chef assistante de Michel Tabachnik pendant plusieurs années, travaillant avec lui, en France, Espagne, Italie, Norvège.
En 1996, elle entre à
Elle dirige Falstaff au Théâtre Mancinelli à Orvieto en Italie en 2001. Entre 2001 et 2005, elle enchaîne les engagements internationaux. . Elle dirige Madama Butterfly avec l’orchestre de l’Opéra de Kharkov puis Tosca et La Bohème en tournée en France. Elle est invitée par l'Orchestre Philharmonique de Nice. Elle se produit au Théâtre Antique d'Arles dans le cadre des Rencontres Lyriques Européennes avec Mireille de C. Gounod. Elle dirige l'Orchestre Pasdeloup en région parisienne, et l’Orchestre Symphonique de Chambre de Chalon-Bourgogne. Elle se produit au Théâtre la Fenice dans un programme de musique française.
Depuis 2006, Nathalie Marin est régulièrement invitée à diriger l’Orchestre Symphonique National de Cuba, l’Orchestre des Solistes de la Havane et l’Orchestre Symphonique de Matanzas. En 2008 elle dirige le Voralberg Symphony Orchestra (Bregenz, Autriche).
Depuis 1991 Nathalie Marin est directrice artistique d’Enoris (Ensemble Orchestral de l’Isère) avec lequel elle a donné plus de 250 concerts (Malher, Dvorak, Mendelssohn) dans de nombreuses villes françaises : Paris, Lyon, Grenoble, Saint Etienne ainsi qu’à l’étranger. Elle a effectué deux enregistrements : Le carnaval des animaux de Camille Saint Saëns avec François Morel et Pierre et le loup de Serge Prokovief avec Jean Claude Dreyfus.