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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.
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
Françoise Asso, Nathalie Sarraute, une écriture de l'effraction, Paris: P.U.F. 1995
Geneviève Henrot, L'Usage de la forme. Essai sur les Fruits d'Or de Nathalie Sarraute, Padova, Unipress, 2000.
«French Review», XL, spécial Issue, hiver 1967.
«Magazine littéraire», n.196, juin 1983.
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.