Nathalie Tremblay a obtenu à l’unanimité le premier prix au Concours de sortie de piano au Conservatoire de musique de Québec. Boursière du Conservatoire de musique du Québec et du conseil des arts et des lettres du Québec, elle s’est ensuite perfectionnée comme pianiste soliste avec André Laplante à New-York, en 1992-93, puis avec Ricardo Brengola en musique de chambre à « l’ Accademia Chigiana di Siena ». En 1995, elle a participé aux travaux dirigés par Franco Donatoni à Rome. Elle s'est aussi perfectionnée auprès de Jean Saulnier en piano quatre mains.

Elle est lauréate du Concours de l’Orchestre du Saguenay-Lac-Saint-Jean et a joué avec celui-ci, ainsi qu’avec l’Orchestre du Conservatoire de musique de Québec. Comme soliste, elle a joué à Lausanne en Suisse, au Château de Vaulx à Beaumont en Auvergne, à l’Acropole de Carthage et l’Institut supérieur de musique de Sfax en Tunisie, au Liban, en Syrie et sur plusieurs scènes québécoises. Nathalie Tremblay a accompagné de nombreux chanteurs et instrumentistes dans le cadre de concours musicaux ou de concerts spéciaux, notamment Lyne Fortin, Luce Vachon, Johanne Bellavance, Dominique Gagné, Julie Tanguay, Carla Antoun et al. Elle est aussi membre surnuméraire de l'OSQ. De plus, elle est membre du collectif Gueules d'artistes et a enregistré un disque piano quatre mains avec Sophie Hudon-Roy et plusieurs concerts, en musique de chambre et en solo, sur les ondes de Radio-Canada. En mars 2007, elle accompagnait Claudine Ledoux, mezzo-soprano, et Carla Antoun, violoncelliste, et interprétait les variations Golberg de Jean-Sébastien Bach dans une tournée des Poètes de l'Amérique française en Auvergne. En novembre 2008, le soprano Manon Aubert et la violoniste charlotte Juillard créaient à la Cité internationale des arts de Paris Promenade sur un sentier recouvert, une de ses œuvres inspirée d’un poème de Guy Cloutier. 

Nathalie Tremblay enseigne au Centre Musical Uni-son. Elle est également directrice artistique des Concerts Couperin.