Nathalia Milstein werd in 1995 in Frankrijk geboren in een muzikale familie en kreeg op vierjarige leeftijd haar eerste pianolessen van haar vader Serguei Milstein. Vervolgens studeerde zij piano bij Nelson Goerner aan de Haute École de Musique de Genève, waar zij haar bachelor- en masterdiploma met onderscheiding behaalde, en bij Sir András Schiff aan de Barenboim-Saïd Akademie in Berlijn.  

Nathalia’s internationale carrière nam een hoge vlucht in 2015, toen zij de eerste prijs won op de Dublin International Piano Competition. In 2017 ontving zij bovendien de Young Soloist Prize van de Médias Francophones Publics. Sindsdien werd zij uitgenodigd in gerenommeerde concertzalen als de Kölner Philharmonie, het Muziekgebouw in Amsterdam, het Tokyo Metropolitan Theatre, Wigmore Hall in Londen, de National Concert Hall in Dublin, Zankel Hall in New York, het Gewandhaus in Leipzig, de Pierre Boulez Saal in Berlijn en het Auditorium de Radio France in Parijs. Daarnaast trad zij op met orkesten als het RTÉ National Symphony Orchestra, de Deutsche Kammerakademie Neuss, het Boulez Ensemble en de kamerorkesten van Parijs en Genève, onder leiding van dirigenten als Matthias Pintscher, John Storgårds, Christoph Koncz en Arie van Beek. Ook in Frankrijk treedt zij regelmatig op in gerenommeerde concertseries en met grote orkesten.  

Als bevlogen kamermusicus treedt Nathalia regelmatig op met gerenommeerde musici, onder meer tijdens internationale kamermuziekevenementen als het Jerusalem International Chamber Music Festival, West Cork Festival in Ierland, Lavaux Classic in Zwitserland en het Schiermonnikoog Festival in Nederland. 

Daarnaast vormt Nathalia al enkele jaren een duo met haar zus, violiste Maria Milstein. Samen namen zij twee albums op: La Sonate de Vinteuil uit 2017 en Ravel Voyageur uit 2019, beide verschenen bij Mirare en internationaal lovend ontvangen. In september 2024 verscheen hun derde opname: een dubbelalbum gewijd aan het complete oeuvre van Schubert voor viool en piano.