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Nathalie Marquay est tout d'abord élue Miss Alsace 1986 au palais Beau Bourg à Blotzheim (Haut-Rhin), titre la qualifiant pour l'élection de Miss France 1987 qui a lieu à Paris le .
L'élection de Miss France 1987 est la première élection retransmise à la télévision. Elle se déroule au studio 15 des Buttes Chaumont à Paris, diffusée en direct sur FR3 dans le cadre d'une grande soirée intitulée C'est demain 87 et présentée par Guy Lux. Les téléspectateurs et les auditeurs sont invités à voter par téléphone au standard d'Europe 1, radio partenaire de l'événement. Céleste Prior est chargé d'annoncer les résultats.
Nathalie Marquay est élue Miss France à 19 ans. Elle est donc la première Miss France élue à la télévision et succède à Valérie Pascal, Miss France 1986.
L'élection de Miss France a connu un cafouillage de la régie d'Europe 1 lors de la désignation des dauphines et de Miss France par Céleste, provoquant la colère de Guy Lux et moult remous dans le public qui crie lorsque Miss Réunion est désignée 2e dauphine. Durant quelques minutes la confusion règne lors de la désignation des dauphines, avec, en plus, le départ volontaire et précipité de la 4e dauphine, Miss Lille-Métropole, Caroline Charles, mécontente du résultat. Après avoir finalement désigné Joëlle Ramyead (Miss Réunion) 1re dauphine, Céleste annonce que Nathalie Marquay, Miss Alsace est élue avec 42,2 % des voix. Celle-ci, qui est encore dans les coulisses, revient sur le plateau sous les sifflets et huées du public. Tandis que Valérie Pascal lui passe l'écharpe et que Geneviève de Fontenay lui pose la couronne, Guy Lux parle d'une « élection houleuse » et dénonce l'attitude du public. « Ce n'est pas très gentil de la part de (nos) ami(e)s du public » car il trouve que « Miss Alsace est ravissante ». Il déclare que « même si Miss Réunion, semblait ici dans cette salle de 3 ou 400 personnes remporter les suffrages, nous n'avons pas à aller à l'encontre de milliers de voix d'auditeurs et de téléspectateurs (...) ». Geneviève de Fontenay annonce dans un même temps que le titre de 4e dauphine revient, et ce sans aucun suffrage du public, à Miss Lorraine à la place de la 4e dauphine élue en raison de son absence[3]. Nathalie Marquay pose alors avec ses dauphines sur le podium, pour les photographes, tandis que Céleste confirme les résultats en l'absence de la 4e dauphine. Une pièce montée, créée pour l'occasion par un traiteur de Paris est amenée sur le plateau. Guy Lux propose à « Mademoiselle Miss Alsace » de « découper la première part de gâteau ». Cette séquence du palmarès de l'élection est souvent rediffusée dans les bêtisiers, rétrospectives de Miss France et autres zappings.
Le 31 décembre 1987, elle transmet son titre de Miss France à Sylvie Bertin, Miss Bresse-et-Bugey élue Miss France 1988.
Concours international
Le , alors qu'elle n'est plus la Miss France en titre, Nathalie Marquay est demi-finaliste lors de l'élection de Miss International se déroulant à Gifu au Japon (classée dans le top 15).
Elle joue en 1994 dans La Veuve Noire, un téléfilm érotique faisant partie de la série Aphrodisia qui est diffusée sur M6. En octobre 2005, un article avec des photos consacré à sa participation à cette série, est publié par le magazine Voici[4].
En 2001, elle apparaît dans 2 épisodes la série 72 heures dans laquelle elle interprète Mona et la doublure de Natacha. En 2002, elle apparait dans un épisode de la série policière Navarro[réf. nécessaire].
En juin 2005, elle est finaliste (classée 4e) de l'émission de téléréalitéla Ferme Célébrités 2 sur TF1. Elle a joué en faveur de l'association Ti'toine.
En 2006, elle anime cinq numéros de l'émission 101 stars et leur incroyable changement de silhouette sur la chaîne de télévision E Entertainement!, puis exerce sur la chaîne Demain TV où elle anime en 2007-2008 La Haute-Marne, c'est déjà demain.
En 2008, elle assure une chronique « beauté » sur la chaîne IDF1.
Sur C8, elle est chroniqueuse dans C'est que de la télé de 2018 à 2020 puis dans TPMP ! ouvert à tous et Touche pas à mon poste ! depuis 2020.
Après avoir participé en novembre 2020 à la photo des anciennes Miss France pour célébrer les 100 ans du concours, elle fait partie du jury de l'élection de Miss France 2021[réf. nécessaire] qui se déroule au Puy du Fou et retransmise en direct sur TF1.
En 2016, elle coécrit avec son mari Jean-Pierre Pernaut et Éric Le Roch la pièce Régime présidentiel dans laquelle elle joue. Il s'agit de la suite de Piège à Matignon. Une tournée avec Philippe Risoli, Éric Le Roch, Marie-Laure Descoureaux et Clément Naslin débute en .
En 2020, elle joue dans la pièce Double jeu au théâtre du Gymnase (pièce de Brigitte Massiot, mise en scène Olivier Macé, avec Pierre Deny et Olivia Dutron).
En 2022, elle est sur scène au théâtre dans une pièce de Bruno Druart et Patrick Angonin Les tontons farceurs, avec entre autres Philippe Chevallier.
En 2023, elle joue dans la pièce de théâtre La Voie des femmes de Séverine Ferrer.
Nathalie Marquay est apparue dans des spots publicitaires pour du parfum et des produits alimentaires. Elle a fait des campagnes d'affichage notamment pour un opticien et un opérateur téléphonique[réf. nécessaire].
Engagement associatif
Depuis 2003, elle est la marraine de l'association Ti'toine qui lutte contre la leucémie[5]. Elle a défendu l'association dans la saison 2 de La Ferme Célébrités.
Elle est aussi la marraine du Collectif K et du Ruban de l'Espoir, deux associations qui luttent également contre le cancer.
Vie privée
En 1997, à 30 ans, Nathalie Marquay est victime d'une leucémie durant plusieurs années[6].
Elle épouse en juin 2007Jean-Pierre Pernaut (1950-2022), présentateur du journal télévisé de 13 heures sur TF1. Ils se sont rencontrés lors de l'élection de Miss France 2002, le 8 décembre 2001, à la salle de la Filature à Mulhouse alors qu'il était assis à côté d'elle dans le public. Le couple a eu deux enfants, Lou (née en 2002) et Tom (en 2003)[7].
Son mari meurt le 2 mars 2022 des suites d’un cancer des poumons à l’âge de 71 ans[8].
En 2011, elle participe au championnat de France d'autocross au volant d'un sprint car (petit buggy) de division 1 féminine (deux roues motrices, moteur de moto de 600 cm3 de cylindrée).[réf. souhaitée]
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