Nathalie Lemaitre est diplômée de l’INSA à Lyon et auditrice de l’IHEDATE. En 1991, elle débute sa carrière professionnelle dans le monde de l’énergie chez EDF. A partir de 1997, Nathalie Lemaitre évolue au sein du Réseau de Transport d’Electricité (RTE). Elle participe notamment, au sein du Dispatching national, à l’ouverture de la production d’électricité à la concurrence, et à la mise en place des mécanismes d’équilibrage en temps réel entre l’offre et la demande.
Experte du fonctionnement du système électrique français et de la coordination entre gestionnaires de réseau européens, elle devient en 2013 la directrice adjointe du Centre National d’Exploitation du Système (CNES). 

En mai 2015, Nathalie Lemaitre est nommée Directrice de la Mission Grand Paris de RTE. Elle est également depuis 2018 secrétaire générale de l’association Acteurs du Grand Paris.

Dorénavant Déléguée régionale de RTE, Nathalie Lemaitre représente aujourd’hui le Directoire de RTE dans les régions Île-de-France et Normandie.