Nathalie Lamoureux commence à étudier la musique à l'âge de 7 ans. Après des études au Conservatoire de Caen, elle obtient au Conservatoire national supérieur de musique et de danse de Paris en 1980 une Médaille de solfège spécialisé.
En 1983, elle obtient un Premier prix de violon dans la classe de Pierre Nerini et un Premier prix de musique de chambre dans celle de Maurice Crut; elle poursuit alors ses études en cycle de perfectionnement, avec Roland Pasquier, tout en travaillant à l'Orchestre national de France, où elle apprend son métier de musicienne d'orchestre.
En 1987, elle entre à l'Orchestre de Paris. C'est en 1999 qu'elle obtient le poste de 3e violon solo qu'elle occupe actuellement.