2009年，出演个人首部电影《
乖乖女是大明星》，从而正式出道。2010年，与杰瑞德·卡特合作主演喜剧短片《Too Sunny for Santa》。2011年，参演由
赛米·汉拉缇、
波姬·小丝主演的冒险片《
惠特尼的绿苹果》。
2012年，出演由
斯蒂夫·泰勒执导的喜剧片《
像爵士那样忧郁》。2014年，与
道阿·茂阿合作拍摄了剧情短片《The City at Night》；同年，其主演的剧情片《
我相信独角兽存在》在
西南偏南电影节首映，娜塔莉·戴尔饰演了富有想象力的坚强女孩达维娜。
2015年，主演由
奎恩·谢法德执导的恐怖短片《直至黑暗》。2016年，与
希罗·弗南德兹、埃拉·雷·派克合作出演的爱情片《
长夜晚晨》上映；7月，与
薇诺娜·瑞德、
米莉·博比·布朗等人联袂主演的科幻惊悚剧《
怪奇物语第一季》播出，娜塔莉·戴尔饰演为人非常有爱心的南茜·威勒，她凭借该剧入围了第38届青年艺术家奖-数字电视剧或电影类-最佳青少年女演员奖。
2017年10月，其主演的科幻惊悚剧《
怪奇物语第二季》播出，她在剧中继续饰演南茜·威勒；同年，在理查德·哈里斯国际电影节上凭借短片《是的上帝》入围最佳女演员奖。
2018年，搭档
肖恩·海托西主演剧情片《Mountain Rest》，饰演一个老年女演员的孙女；3月，宣布搭档
蒂莫西·西蒙斯主演剧情片《是的上帝》，饰演希望能找到救赎之路的修女爱丽丝；5月，参演英国歌手
詹姆斯·贝的歌曲MV《Wild Love》的。
娜塔莉·戴尔长着一头栗色的头发和一双大大的眼睛。她身材娇小似精灵，在成熟中透着少女气质。在出道作《乖乖女是大明星》中，娜塔莉·戴尔表现出了她稚嫩和温柔的一面。在《我相信独角兽存在》中，她打破了人们对“迪士尼”童星的刻板印象，表现了其深沉、阴暗的一面。娜塔莉·戴尔的表演很自然。在《怪奇物语》中，娜塔莉·戴尔用优秀的演技让“南茜”这一角色生动形象，让观众对其“恨之入骨”。生活中，娜塔莉·戴尔十分可爱，在各方面都极具天赋（《GRAZIA》、新浪、《Clash》、詹姆斯·贝综合评）。