En parallèle à ses études de cinéma à la Sorbonne, Nathalie Joyeux est comédienne. Elle participe à un atelier de réalisation aux Ateliers Varan, où elle réalise le film La résidence. Jusqu'en 2006, elle dirige le cinéma Le Trianon à Romainville. Elle programme ensuite le cinéma documentaire à l’Espace Khiasma, centre d’art contemporain aux Lilas, puis coordonne durant deux années le Forum documentaire et l’Atelier Portraits sonores dirigés par Daniel Deshays au Festival International des Scénaristes.

En 2008, elle fonde la société de production Les Films de la Liberté avec Vladimir Léon et Harold Manning. Elle y défend des films d’auteurs exigeants et audacieux. En 2010, son film Parures pour dames, produit par les Films d’ici, est récompensé par le Grand Prix du Festival du film d’éducation à Evreux. Le documentaire conte à partir de vêtements, les histoires intimes et collectives de femmes de cultures et d’âges différents réunies par un atelier de création textile. En 2013, elle achève un long-métrage documentaire Je préfère ne pas penser à demain, un tournage de quatre années qui accompagne des jeunes dans leur quotidien à Tremblay-en-France après le lycée. Le documentaire saisit ce moment particulier où l’on doit faire des choix importants pour sa vie. En 2020, elle réalise Parkinson Melody, un film entre documentaire et comédie musicale, qui dresse le portrait de Chantal, qui apprend à vivre avec la maladie.

Nathalie Joyeux dirige depuis 2012 à Clichy-sous-Bois la manifestation « Toiles sous Toile » consacrée au cinéma documentaire. Elle associe les habitants des quartiers populaires à la construction de la manifestation qui se déroule sous un chapiteau. En 2024, elle co-organise le premier parcours de formation des ateliers Varan à Clichy-sous-Bois. Nathalie Joyeux développe par ailleurs un travail comme artiste photographe.