Nata in una famiglia borghese, ebrea e piuttosto agiata, quando ha solo due anni i genitori divorziano e la mamma la porta a Ginevra, e quindi a Parigi. Dopo un'infanzia trascorsa fra Russia, Francia e Svizzera nonché soggiorni di studio in Inghilterra e Germania, intraprende la professione di avvocato iniziando una carriera di giurista internazionale. A 25 anni sposa un collega avvocato, Raymond Sarraute, da cui ha tre figlie.
Contemporaneamente scopre la letteratura del XX* secolo (Marcel Proust, James Joyce e Virginia Woolf).
I suoi due primi libri, Tropismes (Tropismi, del 1939) e Portrait d'un inconnu (Ritratto d'ignoto, del 1948), passarono quasi inosservati ma, ristampati nel 1956-1957, suscitarono grande interesse, grazie anche ad una presentazione di Jean-Paul Sartre.
Nel saggio L'ère du soupçon (L'età del sospetto, del 1956), la Sarraute chiarisce le fonti della sua ricerca narrativa (Fëdor Dostoevskij, Franz Kafka, Ivy Compton-Burnett), imperniata sull'esplorazione di moti psicologici al limite dell'inconscio (i cosiddetti tropismi e la famosa sotto-conversazione).
Tutti i suoi manoscritti sono attualmente depositati alla Bibliothèque Nationale de France e nel 1999 le sue opere sono entrate nella Pléiade, la famosa collezione Gallimard in cui sono inseriti solo i più grandi scrittori.
Opere
Tropismes, 1939 (con uno soppresso e sei nuovi, 1957 e 1971)
Portrait d'un inconnu, 1948 (prefazione di Jean-Paul Sartre del 1947); trad. Oreste Del Buono, Ritratto d'ignoto, Milano: Feltrinelli, 1959
L'Ère du soupçon, 1956 (contiene 4 saggi: De Dostoïevsky à Kafka, ottobre 1947, L'Ère du soupçon, febbraio 1950, Conversation et sous-conversation, gennaio-febbraio 1956 e Ce que voient les oiseaux, inedito), nuova ed. con prefazione dell'autore, 1964; trad. L'età del sospetto, «Quaderni del verri», Milano: Rusconi e Paolazzi, 1959
Le Planétarium, 1959; trad. Oreste Del Buono, Il planetario, Milano: Feltrinelli, 1964
Les Fruits d'or, 1963; trad. di Simmaco Amartoli, I frutti d'oro, Milano: Feltrinelli, 1964
Le Silence, 1964 (poi in Théâtre, 1993); trad. Ugo Ronfani, Il silenzio Torino: ERI, 1971
Le Mensonge, 1966 (poi in Théâtre, 1993)
Entre la vie et la mort, 1968; trad. Lucia Corradini, Milano: SE, 1988 (con uno scritto di Mary McCarthy)
Isma ou Ce qui s'appelle rien, 1970 (poi in Théâtre, 1993); trad. Ugo Ronfani, Isma ovvero Quel che si dice niente, Torino: Einaudi, 1975
Vous les entendez ?, 1972
C'est beau, 1975 (poi in Théâtre, 1993); trad. Ugo Ronfani, in Isma, cit.
« Disent les imbéciles », 1976
Elle est là, 1978 (poi in Théâtre, 1993)
L'Usage de la parole, 1980; trad. Lucia Corradini Caspani, L'uso della parola, Milano: SE, 1990
Pour un oui ou pour un non, 1982 (poi in Théâtre, 1993)
Enfance, 1983; trad. Oreste de Buono, Infanzia, Milano: Feltrinelli, 1983, nuova ed. con postfazione di Ginevra Bompiani, Napoli: Cronopio, 2005
Paul Valéry et l'Enfant d'éléphant suivi de Flaubert le précurseur, 1986 (ma rispettivamente 1947 e 1965); trad. di Lorenzo Fazio, Paul Valery e l'elefantino - Flaubert il precursore Torino: Einaudi, 1988
Tu ne t'aimes pas, 1989; trad. Letizia Bolzani, Tu non ti ami, Torino: Einaudi, 1996
Aujourd'hui Nathalie Sarraute, «Digraphe», n.32, mars 1984.
«L'Arc», n°95, quatrième trimestre 1984.
«Revue des sciences humaines», t. LXXXXIII, n.217, janvier-mars 1990.
Livre catalogue d'exposition de la Bibliothèque nationale de France, Nathalie Sarraute, portrait d'un écrivain, a cura di Annie Angremy con la collaborazione di Noèlle Giret, 1995.