Nathalie Arthaud est née dans de la Drôme, à Peyrins, le 23 février 1970.
Nathalie Arthaud a grandi à Peyrins, son village natal de la Drôme. Son père est garagiste. Elle a un frère et une sœur.

Nathalie Arthaud a fait ses études primaires à Peyrins, son village natal avant de s’installer à Lyon pour étudier au lycée du Parc. Elle y suit la filière sport-études et en sort diplômée. Elle passe le concours d’enseignement et le réussit. Elle est titulaire d’un Capet et d’une agrégation économie et gestion. 

Nathalie Arthaud vit dans le centre de Vaulx-en-Velin. Elle n’est pas mariée et n’a pas d’enfant par choix. Elle préfère l’union libre à celui de femme mariée. Elle dit aussi vouloir des enfants plus tard. Lors d’une interview pour le magazine Paris Match, elle explique ce choix en disant que ce ne serait pas tenable dans l’immédiat.

Nathalie Arthaud est enseignante agrégée. À sa nomination en tant que porte-parole nationale de Lutte Ouvrière, elle était professeur d’économie et de gestion au Lycée technique Albert-Camus de Rillieux-la-Pape.

Nathalie Arthaud aime la lecture et la musique. Elle s’est constitué une vraie bibliothèque chez elle avec des ouvrages signés Kundera, Carlos Fuentes, Victor Hugo, Prévert, Tom Wolfe, Marjane Satrapi ou encore Tracy Chevalier. Elle lit aussi des ouvrages politiques. En musique, elle aime Amy Winehouse et Ayo. Nathalie Arthaud aime aussi le sport. Elle fait régulièrement du jogging, mais aime aussi le volley-ball.

Incarnant la jeunesse et le dynamisme, Nathalie Arthaud s’est fait connaître de la politique française depuis sa succession à Arlette Laguiller au sein de Lutte Ouvrière. Elle a pourtant commencé à s’intéresser à la politique en 1988, alors qu’elle était encore au lycée. Elle milite pour Lutte Ouvrière à 18 ans après avoir lu le manifeste du Parti Communiste. Elle assume un premier mandat local en 2005 où elle intègre le Conseil de Vaulx. En 2007, elle est désignée porte-parole d’Arlette Laguiller quand celle-ci se présente à l’élection présidentielle. Elle est nommée porte-parole nationale du parti en décembre 2008, suite au congrès annuel du parti. Sa première principale mission concernait les européennes de 2009 où elle est tête de liste dans la circonscription Sud-Est. Elle obtient 0,84% des suffrages soit 24 727. Nathalie Arthaud représente la relève à laquelle la mythique Arlette Laguiller a fait référence quand elle a annoncé qu’elle ne se représentera plus à la prochaine élection présidentielle, prévue pour 2012.

«Je ne fais pas partie de la frange la plus exploitée des travailleurs, admet-elle, mais je me sens travailleuse – travailleuse intellectuelle – comme des millions d’autres.»