Elle a suivi des études de chant dans la classe de Corinne Laporte (Prix à l'E.N.M de Créteil) et de théâtre au Théâtre-Ecole du Passage (direction Niels Arestrup).

Nathalie Duong a travaillé avec Alain Maratrat (Les Trois mousquetaires de Dumas et Les Liaisons dangereuses de Laclos), avec Romuald Sciora (Macbeth de Shakespeare), Barbara Bouley (Je ne suis pas toi d'après Paul Bowles), Patrick Vershuren (Tombeau pour Boris Davidovitch de Danilo Kis) et Guy Pierre Couleau (Le Fusil de chasse).

Elle a été membre de la Troupe du Théâtre Baroque de France (direction Philippe Beaussant) avec lequel elle a participé, en tant que comédienne et chanteuse, aux spectacles L'Ecole des amants (Opéra-Comique, 1995), Monsieur de Pourceaugnac (Rueil, Versailles, Chambord, 1997).

Soucieuse d'allier toujours le chant et le jeu, elle a donné, sous la direction de Philippe Beaussant, la Médée de Benda (mélodrame), et a participé à de nombreuses créations de Nicolas Frize. Elle a créé, en 1998, La lune n'a jamais froid aux pieds, opéra de Michel Zbar et Antoine Campo.

En 2000, elle fonde le trio Les Achromates qui se consacre à un vaste répertoire allant de Dowland à la musique contemporaine, en passant par la chanson. Ainsi le trio invente les spectacles musicaux : De Bach à Mary Poppins, Une enfance andalouse autour de l'oeuvre de F.G. Lorca, Les Voix de l'exil pour l'année de l'Algérie, Contempler le monde à travers le prisme du cœur sur des textes de A. Akhmatova et M. Tsvetaeva.

Diversifiant ses perspectives artistiques, elle a mis en scène, en 2003, à la Péniche Opéra, La Bibliothèque du Professeur van Mosselen (ou comment réussir un récital impeccable) avec le baryton Vincent Bouchot et le pianiste Denis Chouillet. Elle collabore, en tant que directrice d’acteurs, aux spectacles musicaux L’une chante, l’autre pas de C. Laporte et Et Vian dans les dents de Brigitte Guedj.

En 2004, elle a créé, sous la direction de Jean-Yves Penafiel, le spectacle musical Les Bacchantes d’après Euripide. En 2007 elle participe à Une fille en or, de Lise Martin et Natlie van Parys.

Elle a joué dans Comme de bien entendu.