Nathaniel Dean ha trabajado ampliamente en cine, teatro y televisión. Su primer trabajo cinematográfico, tras graduarse en el National Institute of Dramatic Arts de Australia en 1999, fue en la película de Tony Ayres Caminar sobre las aguas, por la que recibió el premio del Australian Film Institute (AFI) en 2002 en la categoría de mejor actor en papel secundario. En 2004, Dean fue nominado de nuevo a un premio AFI por su papel en el filme de Cate Shortland Somersault.

Otros títulos de su filmografía son Candy, de Neil Armfield, The Rage In Lake Placid y The Final Winter. Su trabajo en teatro incluye: The Effect (Melbourne Theatre Company), Un tranvía llamado Deseo (Black Swan Theatre Company) , The One Day Of The Year y The Secret River (Sydney Theatre Company), esta última dirigida por Neil Armfield y por la que Dean fue nominado a un premio Helpmann al mejor actor por su interpretación de William Thornhill. Entre sus numerosos trabajos en televisión destacan: Anzac Girls, Puberty Blues, Parer’s War, Old School, Bikie Wars, Wild Boys, Underbelly, East West 101, Rain Shadow, All Saints, City Homicide, Killing Time, Satisfaction y Always Greener. Dean acaba de comprometerse con la producción de su próxima película, The Nightingale, que dirigirá Jennifer Kent (The Babadook).