Nathalia Milstein wurde 1995 in einer Musikerfamilie geboren und begann im Alter von 4 Jahren mit dem Klavierunterricht bei ihrem Vater Serguei Milstein. 2009 trat sie in seine Klasse am Genfer Konservatorium ein. Ab 2013 studierte sie bei Nelson Goerner an der Genfer Haute Ecole de Musique, wo sie ihr Bachelor- und Masterstudium mit Auszeichnung abschloss. 2017 zog sie nach Berlin, um an der Barenboim-Said Akademie zu studieren, zunächst bei Nelson Goerner, dann im neu gegründeten Studio von Sir András Schiff, der sie in der Saison 2021/2022 in sein Mentoring-Programm „Building Bridges“ aufnahm.
Nathalia Milstein startete ihre internationale Karriere 2015 mit dem Gewinn des 1. Preises beim Internationalen Klavierwettbewerb in Dublin und wurde seither in Säle wie die National Concert Hall in Dublin, die Zankel Hall (Carnegie Hall) in New York, die Wigmore Hall in London, das Gewandhaus in Leipzig oder den Pierre Boulez Saal in Berlin eingeladen.
Sie ist Preisträgerin mehrerer Jugendwettbewerbe, unter anderem des „Flame“-Wettbewerbs in Paris und des Manchester International Concerto Competition. Später wurde sie Preisträgerin des Grand Concours International de Piano 2013 in Corbelin (Frankreich) und des Adilia Alieva Piano Competition 2014 in Gaillard (Frankreich). Außerdem wurde sie 2017 mit dem Preis für junge Solisten der Médias Francophones Publics ausgezeichnet.
Während ihres Studiums hat Nathalia Milstein wertvolle Ratschläge von renommierten Professoren und Pianisten wie Daniel Barenboim, Mikhail Voskressensky, Elena Ashkenazy, Vladimir Tropp, Jan Wijn, Enrico Pace oder Menahem Pressler erhalten.
Nathalia Milstein konzertiert in Frankreich und im Ausland, gibt Liederabende in ganz Europa und trat bei großen Festivals wie La Roque d’Anthéron, Flâneries Musicales de Reims, La Folle Journée, New Ross Piano Festival, Lille Piano Festival, Zaubersee Festival oder Radio France Festival auf. Als begeisterte Kammermusikerin tritt sie regelmäßig mit renommierten Musikern auf und wird zu internationalen Kammermusikveranstaltungen eingeladen, wie dem Intonations Festival in Berlin, dem West Cork Festival in Irland, Lavaux Classic in der Schweiz, dem Schiermonnikoog Festival oder dem Scaldis Festival in den Niederlanden. Seit einigen Jahren spielt sie im Duo mit ihrer Schwester, der Geigerin Maria Milstein. Neben einer regen Konzerttätigkeit haben sie auch zwei gemeinsame Alben aufgenommen – „La Sonate de Vinteuil“ (2017) und „Ravel Voyageur“ (2019) – beide bei dem französischen Label Mirare.
Unterstützt von der Fondation Safran (Paris) und der Stiftung „Tempo“ (Genf) erschien 2018 Nathalia Milsteins erste Solo-CD mit Werken von Prokofjew und Ravel.
Beim Klavier-Festival Ruhr gibt sie 2023 ihr Debüt.