Katsonis nació en Viena,^[1]​ y es mitad francesa y mitad griega. Estudió ingeniería química en Chimie ParisTech, y completó sus estudios de posgrado en la Escuela Normal Superior de París bajo la supervisión de Ludovic Jullien. Katsonis obtuvo su doctorado en la Universidad Pierre y Marie Curie. Trabajó en sondas a nivel nanoscópico para autoensamblajes moleculares bidimensionales con Denis Fishou.^[2]​ A continuación se unió al grupo de investigación de Ben Feringa en la Universidad de Groninga, donde trabajó en el autoensamblaje de motores e interruptores.^[3]​ Allí Katsonis también desarrolló un microscopio de sonda de barrido para la determinación de la quiralidad molecular.^[4]​

Katsonis se unió al Centro Nacional para la Investigación Científica (CNRS) en 2007 y comenzó a investigar cristales líquidos quirales sensibles a la luz.^[3]​ Fue nombrada Líder de Grupo en la Universidad de Groninga y ocupó un puesto de investigadora visitante en KU Leuven. En 2012, recibió una subvención de la Royal Society International Exchange para trabajar con Steve Fletcher en polímeros fotosensibles.^[5]​^[6]​ Katsonis sugirió el uso de estos materiales en microfluidos y robótica.^[5]​ La naturaleza, donde las estructuras helicoidales a menudo facilitan el movimiento, es la principal fuente inspiración para su investigación.^[7]​

Katsonis se mudó a la Universidad de Twente en 2013 y fue ascendida a Profesora en 2016.^[3]​^[7]​ Katsonis ha investigado materiales fotosensibles, que pueden convertir la energía de la luz en trabajo mecánico. Demostró que es posible alternan hélices a la izquierda y a la derecha en cristales líquidos colestéricos utilizando luz.^[8]​ También ha demostrado que es posible usar cristales líquidos como plantillas de organización para el diseño de autoensamblajes de nanopartículas superparamagnéticas.^[9]​ En 2017 fue galardonada con una Beca de Comienzo de Carrera del Consejo Europeo de Investigación en nanotecnología.^[10]​ Su trabajo reciente ha investigado la quiralidad molecular en interfaces fluido - sólido.

Entre sus premios y honores destacan:

• 2012 Beca de Comienzo de Carrera del Consejo Europeo de Investigación^[11]​^[12]​
• 2012 Premio De Winter de la Universidad de Twente^[13]​
• 2014 Elegido para la Joven Academia de la Real Academia de Artes y Ciencias de los Países Bajos^[14]​^[15]​
• 2016 Premio Athena de la Organización de los Países Bajos para la Investigación Científica^[16]​
• 2016 Miembro seleccionado de la Global Young Academy^[3]​
• 2016 Seleccionada para el Consejo de Física y Química^[17]​
• 2017 Medalla de oro de la Royal Netherlands Chemical Society^[7]​^[2]​
• 2018 Beca de consolidación de Carrera del Consejo Europeo de Investigación^[10]​

Entre sus publicaciones destacan:

• Eelkema, Rienk; Katsonis, Nathalie; Feringa, Ben (2006). «Molecular machines: nanomotor rotates microscale objects». Nature 440. 
• Kudernac, Tibor; Katsonis, Nathalie; Feringa, Ben (2011). «Electrically driven directional motion of a four-wheeled molecule on a metal surface». Nature 479. 
• Katsonis, Nathalie; Kudernac, Tibor; Feringa, Ben (2006). «Reversible conductance switching of single diarylethenes on a gold surface». Advanced Materials 18. 
• Iamsaard, Supitchaya; Fletcher, Stephen; Katsonis, Nathalie (2014). «Conversion of light into macroscopic helical motion». Nature Chemistry 6. 

Katsonis es miembro del consejo para becas de viaje de Nature. Es editora de las revistas científicas Crystals,^[18]​ Chemical Communications y ChemPhotoChem.

Katsonis está casada y tiene tres hijos.