Nathalie Gaudefroy commence ses études musicales par le violon et le piano au conservatoire de Strasbourg avant d’y étudier le chant. Elle se perfectionne sous la direction d’Udo Reinemann. On a pu l’entendre dans le rôle de Denise Les Aventures du Roi Pausoles d'Honegger à l'Opéra du Rhin, Musetta La Bohème de Puccini qu'elle a chantée dans les Jardins du Sénat à Paris, au Festival de Sceaux et en Belgique, sous la direction de François-Xavier Roth.
En 2006, à l’Opéra de Metz elle interprète le rôle de Cécile Volanges Les liaisons Dangereuses de C.Prey. En 2007, elle y chante Virginie Le Caïd d’A.Thomas sous la direction de Jacques Mercier et Adele Die Fledermaus de J.Strauss, dirigée par Claude Schnitzler.
Au Théâtre de Fontainebleau et à la Péniche Opéra à Paris, elle interprète Helene et Leonora Aller-Retour et Le Long Repas de Noël de P.Hindemith sous la baguette de Lionel Peintre.
C’est dans le rôle de Pamina Die Zauberflöte de Mozart sous la direction de Darell Ang qu’elle débute l’année 2010 à l’Opéra National de Bordeaux. Elle s’est produite Salle Pleyel à Paris, au Rudolfinum de Prague, au ConcertGebouw d'Amsterdam où elle a chanté les Liebeslieder Walzer de Brahms avec C.Stotjin, R.Trischler et U.Reinemann; au côté de Steve Davislim et Peter Mikulas à l’Auditorium National de Musique de Madrid ainsi qu’au Baluarte de Pamplona dans Die Jahreszeiten de Haydn. Avec la pianiste Vanessa Wagner, elle présente des Lieder de Mozart et Haydn au Grand Théâtre d’Aix en Provence; au Théâtre de Poitiers avec Marie-Josèphe Jude les Sieben frühe Lieder de Berg. Nathalie interprète des Lieder de Schubert avec l’Orchestre Poitou-Charentes sous la direction de Jean-François Heisser au côté de Thomas Bauer aux Folles Journées de Nantes et à celles de Tokyo.
Elle chante notamment avec l’Orchestre Philharmonique de Strasbourg dirigé par Peter Schneider, l’Orchestre Symphonique National Tchèque dirigé par Theodor Guschlbauer (Messe en ut de Mozart) et de Paul Meyer, l’Orchestre de Chambre de Lausanne, l’Orchestre de Poitou-Charentes dirigé par Jean Deroyer (14ème Symphonie de Schostakovitch), l’Orchestre « Les Siècles » dirigé par François-Xavier Roth (Airs de concert de Mozart), le Gulbenkian Orchestra dirigé par Michel Corboz (Weihnachtsoratorium de Bach), le Jeune Orchestre d’Atlantique sous la baguette de Jean-Claude Malgoire, l’Orchestre d’Auvergne dirigé par Arie Van Beek, l’Orchestre des Champs Elysées dirigé par Philippe Herrewegh (Requiem de Mozart), l’Orchestre Symphonique des Flandres (au Bozar Bruxelles et à Bruges) et l’Orchestre du Novaya Opera de Moscou (à Moscou, Tallinn et au Festival Puccini à Torre del Lago) dirigés par Jan-Latham Koenig (Voix Humaine de Poulenc), l’Orchestre Philharmonique de Strasbourg dirigé par Marko Letonja (Nuits d’été de Berlioz).Elle intègre le Choeur de l’Opéra National du Rhin en 2012.
Parallèlement, elle poursuit sa carrière dans un large répertoire d’oratorios et de musique de chambre qu’elle affectionne tout particulièrement.