Nathalie Gaudefroy commence ses études musicales par le violon et le piano au conservatoire de Strasbourg avant d’y étudier le chant auprès d’Elisabeth Dillenschneider. Elle se perfectionne sous la direction d’Udo Reinemann et suit les masters classes de Sarah Walker, Konrad Richter, Helmut Deutsch, Rudolf Jansen, Edith Wiens et Gundula Janowitz.

Parmi ses récompenses, notons le premier prix au Concours de Musique de Chambre d’Arles  en 2000, le premier prix de mélodie aux « Symphonies d’Automne » en 2003, le premier prix de mélodie et un prix d’opéra au Concours de Marmande 2005 et le prix de piano-chant à l’unanimité au Concours International Lili et Nadia Boulanger à Paris.
  
On a pu l’entendre à L’Opéra National du Rhin dans la  Reine Denise des Aventures du Roi Pausoles d’A.Honegger, dans le rôle de Musetta dans La Bohème de Puccini aux Jardins du Sénat à Paris, au Parc de Sceaux et en Belgique (dir. François-Xavier Roth), dans un opéra pour enfants autour de contes persans de Iradj Sahbaï. En 2006, à l’opéra de Metz elle interprète le rôle de Cécile Volanges dans Les Liaisons Dangereuses  de C.Prey.
En 2007, elle chante Virgine dans le Caïd d Ambroise Thomas (dir. Jacques Mercier et mise en scène Adriano Sinivia) et Adele dans « La Chauve-Souris » de J.Strauss (dir. Claude Schnitzler, mise en scène Jean-Louis Grinda) à l’opéra de Metz.

Elle s’est produite à l’Arsenal à Metz, au Rudolfinum de Prague, au Kultur-Kasino de Bern, au Concertgebow à Amsterdam où on l’entend aux côtés de U.Reinemann, C. Stotijn et R.Tritschler dans les Liebeslieder Walzer de J.Brahms. Les  Sieben frühe Lieder  d’A.Berg, accompagnée par Marie-Josèphe Jude au théâtre de Poitiers,Aux côtés de Steve Davislim et Peter Mikulas à l’Auditorium National de Musique de Madrid ainsi qu’au Baluarte de Pamplona dans Die Jahreszeiten de J.Haydn.
Elle donne un récital à l’Opéra Comique avec Eildert Beeftink, au Petit Palais accompagnée par Aline Piboule.
Elle interprète les Lieder de Schubert avec l’Orchestre Poitou-Charentes dirigé par Jean-François Heisser et Arie van Beek aux cotés de Thomas Bauer aux Folles Journées de Nantes et de Tokyo.
Aux Grand Théâtre d’Aix en Provence elle interprète des airs  de concert de Mozart avec l’Orchestre « Les Siècles » dirigé par François-Xavier Roth et des Lieders de Mozart et Haydn accompagnée par Vanessa Wagner.

Elle chante avec l’Orchestre Symphonique de Mulhouse, l’Orchestre Philharmonique de Strasbourg dirigé par Peter Schneider, l’Orchestre Albert Schweitzer et l’Orchestre Symphonique National Tchèque dirigés par Theodor Guschlbauer, l’Orchestre de Chambre de Lausanne, l’Orchestre Poitou-Charentes dirigé par Jean Deroyer.

Elle se produit en musique de chambre avec la harpiste Anja Linder, en trio avec « Les Jouets du Vent » trompette et orgue.
En 2007 est créé le Quatuor Vocal Amadis, formé par  4 chanteurs Leonore van Sloten, mezzo-soprano, Johnny Esteban, ténor et Jean-François Rouchon, baryton.
Elle donne de nombreux récitals avec ces formations qu’elles affectionnent tout particulièrement.