Entrée à la Comédie-Française en 1848 ; sociétaire en 1852 ; retraitée en 1876.

La carrière de Zaïre Nathalie Martel, dite Mademoiselle Nathalie, commence sur les boulevards en 1837. Elle fait remarquer sa beauté, sa gaieté et ses talents de danseuse dans des comédies légères au Palais-Royal, au Gymnase, au Vaudeville et même à Londres. Après dix ans de vie joyeuse, elle souhaite aborder des rôles plus sérieux et entre à la Comédie-Française en 1848.
Elle débute dans la Camaraderie de Scribe, dans Marion Delorme de Victor Hugo et dans Une chaîne de Scribe. Elle joue d'abord les grandes coquettes (L'Aventurière, d’Émile Augier), puis les « mères nobles » (Madame de Prie dans Mademoiselle de Belle-Isle d'Alexandre Dumas, Madame Desaubier dans La joie fait peur de Madame de Girardin, la Baronne d'Il ne faut jurer de rien de Musset), reprenant dans cet emploi les rôles de Madame Allan, et interprète aussi les « duègnes » et les « caractères » (Philaminte, Béline, Madame Turcaret...).
Elle fut la cause du premier départ de Sarah Bernhardt de la Comédie-Française en 1862. La jeune Sarah avait en effet amené à la cérémonie du Malade imaginaire sa jeune sœur Régina, qui marcha malencontreusement sur la traîne de Mademoiselle Nathalie. Celle-ci réagit vivement, bousculant la fillette. Sarah Bernhardt, outrée, s'emporta et gifla la sociétaire. Quelques jours plus tard, comme elle refusait de s'excuser, elle se vit enlever le rôle qu'elle s'apprêtait à créer et donna sa démission.

Mademoiselle Nathalie se retire en 1876, jouant pour la dernière fois à sa représentation de retraite deux de ses plus grands succès : Philaminte des Femmes savantes et Madame Désaubier de La joie fait peur.