Nathalia Milstein wurde 1995 in Frankreich in eine Musikerfamilie geboren. Ihren ersten Klavierunterricht erhielt sie im Alter von vier Jahren von ihrem Vater Serguei Milstein. Anschließend studierte Nathalia Milstein Klavier – zunächst bei Nelson Goerner an der Haute École de Musique in Genf, wo sie mit Auszeichnung abschloss, und dann bei Sir András Schiff an der Barenboim-Said Akademie in Berlin. Darüber hinaus besuchte Nathalia Milstein Meisterklassen bei renommierten Professoren und Pianisten wie Daniel Barenboim, Menahem Pressler, Mikhail Voskresensky, Emanuel Krasovsky, Elena Ashkenazy, Jan Wijn und Enrico Pace. 

Nathalia Milsteins internationale Karriere begann 2015, als sie den ersten Preis beim Dublin International Piano Competition gewann. 2017 wurde sie mit dem Young Soloist Prize der Médias Francophones Publics ausgezeichnet. Seitdem wurde sie in renommierte Konzertsäle wie die National Concert Hall in Dublin, die Zankel Hall in New York, das Gewandhaus in Leipzig, den Pierre Boulez Saal in Berlin und das Radio France Auditorium in Paris eingeladen. Zudem spielte sie in Orchestern wie dem RTÉ National Symphony Orchestra, der Deutschen Kammerakademie Neuss, dem Boulez Ensemble und den Pariser und Genfer Kammerorchestern und arbeitete mit Dirigenten wie Matthias Pintscher, John Storgårds, Christoph Koncz und Arie van Beek zusammen. 

In Frankreich tritt sie regelmäßig bei renommierten Konzertreihen und mit großen Orchestern auf. Zu ihren jüngsten Auftritten gehören Konzerte mit den Straßburger Philharmonikern unter der Leitung von Renaud Capuçon, dem Orchestre de Paris unter der Leitung von Xu Zhong und dem Orchestre Philharmonique de Radio France unter der Leitung von Anna Rakitina. 

Nathalia Milstein tritt ebenfalls bei bekannten Festivals im In- und Ausland wie La Roque dʼAnthéron, Piano aux Jacobins, Flâneries Musicales de Reims, Grachtenfestival, New Ross Piano Festival, Zaubersee Festival und Radio France Festival auf. Im Rahmen des von Sir András Schiff kuratierten Mentoringprogramms »Building Bridges« konnte Nathalia Milstein zudem wertvolle Erfahrungen bei Auftritten in den renommiertesten Konzertsälen Europas sammeln. 

Als begeisterte Kammermusikerin tritt Nathalia Milstein regelmäßig mit renommierten Musikern bei internationalen Veranstaltungen wie dem Jerusalem International Chamber Music Festival, dem West Cork Festival in Irland, Lavaux Classic in der Schweiz und dem Schiermonnikoog Festival in den Niederlanden auf. 

Zu ihren jüngsten Höhepunkten zählt die Zusammenarbeit mit dem WDR Sinfonieorchester, das unter der Leitung von Miguel Pérez Iñesta das Klavierkonzert von Clara Schumann aufführte, und dem Orchestre de la Suisse Romande unter der Leitung von Jonathan Nott. 

Nathalia Milsteins Diskografie ist bereits beeindruckend: Unterstützt von der Fondation Safran (Paris) und der Fondation Tempo (Genf), erschien 2018 ihre erste Solo-CD mit Werken von Prokofjew und Ravel beim französischen Label Mirare. Ihr zweites Album, »Visions Fugitives«, erschien im September 2021 und wurde mit dem Choc Classica als eine der besten Aufnahmen des Jahres 2021 ausgezeichnet. Außerdem nahm sie Strawinskys »Capriccio« mit Mikko Franck und dem Orchestre Philharmonique de Radio France als Teil eines dem Komponisten gewidmeten Albums auf, das im September 2022 bei Alpha Classics erschien. 

Seit einigen Jahren spielt Nathalia Milstein im Duo mit ihrer Schwester, der Geigerin Maria Milstein. Gemeinsam haben sie zwei Alben aufgenommen – »La Sonate de Vinteuil« (2017) und »Ravel Voyageur« (2019), die beide bei Mirare erschienen sind und von internationalen Kritikern gelobt wurden. Im September 2024 veröffentlichten sie ihre dritte Aufnahme, ein Doppelalbum, das dem Gesamtwerk von Schubert für Violine und Klavier gewidmet ist. 

Während der gesamten Saison 2024/25 trat Nathalia Milstein als Solistin und Kammermusikpartnerin an verschiedenen Orten in Europa auf. Zu ihren Auftritten mit Orchester gehörten Debüts mit den Bremer Philharmonikern unter der Leitung von Ulf Schirmer und dem Orchester der Opéra de Saint-Étienne unter der Leitung von Sasha Yankevych mit Schostakovichs Klavierkonzert Nr. 2, die Teilnahme an einer Show rund um Gershwins »Rhapsody in Blue« mit dem Soundwave Collective an verschiedenen Orten in den Niederlanden sowie eine Tournee durch die Niederlande mit dem Phion Orchestra unter der Leitung von Bas Wiegers, bei der sie Brahmsʼ monumentales zweites Konzert spielte.