Normalienne et agrégée de lettres modernes, Nathalie Azoulai a d’abord été professeur de lettres et éditrice avant de se consacrer pleinement à l’écriture. Son premier titre paraît en 2002 et ouvre une série de textes qui fouillent et relatent les ambiguïtés familiales, la maternité, la fratrie, dans ce qu’elles ont de plus sombre et de plus inavouable. Viendront ensuite plusieurs romans mettant en scène des personnages divisés, des polarisations douloureuses et décisives, comme Les Manifestations en 2005 ou Une ardeur insensée en 2009. Son dernier roman Titus n’aimait pas Bérénice, paru en 2015, propose une autre variation sur l’ambiguïté, l’amour et la création. Finaliste des prix Goncourt et Femina, ce roman a obtenu le prix Médicis 2015.
Elle a également plusieurs fois collaboré à l’écriture de scénarios pour le cinéma et la télévision.