Nathalia Milstein wurde 1995 als Tochter einer Musikerfamilie geboren und erhielt ihren ersten Klavierunterricht im Alter von vier Jahren von ihrem Vater. Sie absolvierte ihr Studium bei Nelson Goerner an der Haute École de Musique in Genf und bei Sir András Schiff an der Barenboim-Said Akademie. Wichtige Impulse erhielt sie außerdem in Meisterkursen bei Daniel Barenboim, Mikhail Voskressensky, Elena Ashkenazy, Enrico Pace und Menahem Pressler. Zahlreiche Wettbewerbserfolge begleiteten ihre künstlerische Entwicklung; internationale Aufmerksamkeit erregte sie insbesondere 2015 mit dem Gewinn des ersten Preises bei der Dublin International Piano Competition. Seither ist sie in bedeutenden Konzertsälen in Europa und den USA aufgetreten, darunter das Leipziger Gewandhaus, das Wiener Konzerthaus, die Philharmonie Köln, das Muziekgebouw in Amsterdam, die Londoner Wigmore Hall, die National Concert Hall in Dublin und die Zankel Hall der Carnegie Hall in New York. Sie arbeitete mit Dirigenten wie Renaud Capucon, Jonathan Nott, Matthias Pintscher und John Storgårds sowie dem WDR Sinfonieorchester, dem Orchestre de la Suisse Romande, dem Orchestre de Paris und dem Orchestre Philharmonique de Radio France zusammen. Darüber hinaus war sie beim Heidelberger Frühling, dem Lille Piano Festival, dem Festival Radio France, der Folle Journée, dem Internationalen Klavierfestival La Roque d’Anthéron und dem Intonations Festival in Berlin zu Gast und ist regelmäßig im Pierre Boulez Saal zu hören. Nathalia Milstein hat mehrere CDs veröffentlicht, darunter drei Duo-Alben mit ihrer Schwester, der Violinistin Maria Milstein. Ihre jüngstes Solo-Album Alla Schumann erschien Ende 2025.