Nata a San Francisco nel 1938, attrice bambina ed esordiente sotto la direzione di Irvin Pichel (Happy Land - 1944 -, Conta solo l’avvenire - 1946), efficace in piccoli ruoli (Il fantasma e la signora Muir - 1947 - di Joseph L. Mankiewicz), ma anche brillante protagonista (Fiore selvaggio - 1947 - di Allan Dwan), la Nathalie Wood ragazzetta è attrice affermata fra commedia (La fortuna si diverte - 1950 - di Walter Lang) e melodramma (La diva - 1952 - di Stuart Heisler).

Tre anni dopo la Warner Bros la mette sotto contratto per Gioventù bruciata (1955) di Nicholas Ray, in cui lavora con James Dean e con cui ottiene una nomination all’Oscar come Miglior Attrice Protagonista.

Bravissima anche nel western, in ruoli secondari (Sentieri selvaggi - 1956 - di John Ford) così come in quelli da protagonista (Le colline bruciano - 1956 - di Stuart Heisler), la struggente performance in Splendore dell’erba (1961) di Elia Kazan, fra pregiudizi ed inquietudini giovanili, ed il musical realistico e socialmente impegnato (West Side Story - 1962 - di Robert Wise) consacrano definitivamente la sua fama.

Attiva nella commedia impegnata (Strano incontro - 1964 - di Robert Mulligan) e leggera (Lo strano mondo di Daisy Clover - 1965 -, anch’esso diretto da Robert Mulligan), torna ad ambientazioni nel Sud rurale con il drammatico Questa ragazza è di tutti (1966) di Sydney Pollack.

Nel corso degli anni Settanta dirada notevolmente le sue apparizioni. Nathalie Wood muore annegata in circostanze misteriose e mai del tutto chiarite a Santa Catalina - in California - nel novembre 1981, all’età di quarantatré anni.

Fra gli altri film ricordiamo l'evergreen natalizio Miracolo sulla trentaquattresima strada (1947) di George Seaton, Non siate tristi per me (1950) di Rudolph Maté, A. A. Criminale cercasi (1951) di William A. Seiter, Il sogno dei miei vent’anni (1952) di Elliott Nugent, Il calice d’argento (1954) di Victor Saville, Casa da gioco (1955) di Jerry Hopper, Ore d’angoscia (1956) di Frank Tuttle, I giganti toccano il cielo (1957) di Gordon Douglas, La storia di James Dean (1957) di Robert Altman, Vertigine (1958) di Irving Rapper, Cenere sotto il sole (1958) di Delmer Daves, Cash McCall (1960) di Joseph Pevney, I giovani cannibali (1960) di Michael Anderson, La grande corsa (1965) di Blake Edwards, Penelope, la magnifica ladra (1967) ai Arthur Hiller, Bob & Carol & Ted & Alice (1969) di Paul Mazursky, Il candidato (1972) di Michael Ritchie, Un affare di cuore (1973), James Dean the first american teenager (1975) di Roy Connolly, Una valigia piena di dollari (1975) di Peter Hyams, Io, Willy e Phil (1979) di Paul Mazursky, Meteor (1979), Brainstorm - Generazione elettronica (1981) di Douglas Trumbull, uscito due anni dopo la sua scomparsa.