La soprano Nathalie Manfrino naît en France et possède des origines italiennes. Après des études de musique et de chant au conservatoire de Paris, elle intègre l’École normale de musique de Paris dont elle sort diplômée en 2000, année de son mariage avec le compositeur David Alagna. L’année suivante, elle débute sa carrière sur la scène de l’Opéra de Marseille où elle interprète le rôle-titre féminin de Pélleas et Mélisande de Debussy. Puis, elle prend le rôle de Marie des Mousquetaires au couvent de Varney au Théâtre du Capitole de Toulouse.

La Franco-Italienne revient régulièrement au Théâtre toulousain, notamment en 2002 pour interpréter Barbarina dans Les Noces de Figaro de Mozart. En 2003, en plus d’interpréter Roxanne dans Cyrano de Bergerac d’Alfano face à Roberto Alagna à Montpellier, elle débute une collaboration fructueuse avec Saint-Etienne où elle endosse le rôle de Sophie dans Werther de Massenet. Elle y chante ensuite le rôle de Constance dans les Dialogues des Carmélites de Poulenc en 2004 et le rôle-titre féminin d’Orphée et Eurydice de Gluck en 2005. La même année, la soprano débute à Nice où elle incarne Marguerite dans Faust de Gounod. Sous la baguette de Michel Plasson, elle débute dans le rôle-titre féminin de Roméo et Juliette de Gounod en 2006 à la Maestranza de Séville et prend le rôle de Micaëla dans Carmen de Bizet au Tchaïkovski Concert Hall en Russie, à Hong-Kong, Berlin et Lyon. Après quoi, elle revient à Nice pour prendre le rôle de Violetta dans La Traviata de Verdi et est élue « révélation de l’année » dans la catégorie Artistes Lyriques aux Victoires de la musique classique.

À nouveau à Nice en 2007, elle prend le rôle de Fiordiligi dans Cosi fan tutte de Mozart, puis renouvelle son attachement à Saint-Étienne en y incarnant pour la première fois Rozenn dans Le Roi d’Ys de Lalo. Cette année-là, elle fait également ses débuts au Théâtre Massimo de Palerme où elle retrouve Michel Plasson et le répertoire français en interprétant le rôle-titre de Manon de Massenet. De retour en France, elle endosse à Marseille et Bordeaux le rôle de Mimi dans La Bohème de Puccini, avant de faire ses premiers pas au Châtelet où elle rechante Cyrano, cette fois-ci face à Placido Domingo en 2008. En 2009, le rôle-titre de Thaïs lui ouvre les portes du Théâtre royal de Turin et de l’Opéra de Bonn, tandis qu’Héro dans Béatrice et Bénédict de Berlioz lui permet de débuter au Théâtre des Champs-Elysées. A Séville, elle chante le rôle de Leila dans Les Pêcheurs de perles de Bizet. Le rôle-titre de Mireille de Gounod lui ouvre la porte des Chorégies d’Orange en 2010. En 2011, la soprano incarne Tatiana dans Eugène Onéguine de Tchaïkovski à l’Opéra Grand Avignon et Gilda dans Rigoletto de Verdi à Monte-Carlo. En 2012, elle est la Princesse Saamcheddine dans Mârouf, savetier du Caire de Rabaud à l’Opéra Comique. En 2014, elle revient en Avignon pour interpréter Nedda dans Paillasse de Leoncavallo et chante Musetta dans La Bohème au Liceu en 2016. L’année suivante, elle interprète Valencienne dans La Veuve joyeuse de Lehár au Théâtre Verdi de Padoue. Elle se produit depuis en concerts, notamment dans le cadre d'engagements caritatifs.