נולד ב-23 בספטמבר 1923 בקייב, ברית המועצות (כיום בירת אוקראינה). בגיל שנתיים עלה לארץ ישראל עם הוריו. בתחילה התגוררה המשפחה בקיבוץ גבעת השלושה, לאחר מכן בפתח תקווה, ובשנת 1935 נמנתה עם ראשוני המתיישבים במושב בהדרגה (לימים כפר מעש). למד בבית הספר העממי פיק"א בפתח תקווה ובתיכון המחוזי החקלאי בגבעת השלושה. היה חניך ומדריך בתנועת 'השומר הצעיר'. בשנת 1940, בהיותו בן 16, פרסם בירחון 'השומר הצעיר' 'על החומה' את שירו הראשון, 'כשספינות הולכות הימה', שעסק בהעפלה. בשנת 1945 הצטרף לקיבוץ שריד ועבד בחקלאות ובהוראה. היה חבר הקיבוץ במשך 46 שנים, עד 1991, אז עבר לגור ביהוד. 

את השכלתו הגבוהה רכש באוניברסיטה העברית בירושלים ולאחר מכן באוניברסיטת תל אביב, בה קיבל תואר מוסמך בספרות  עברית וכללית. כמו כן השתלם באוניברסיטאות אוקספורד וקולומביה. עסק שנים רבות בהוראה בתיכון, ובהוראה אקדמית, כמרצה בכיר באוניברסיטת חיפה, בסמינר 'אורנים' ובמכללת לוינסקי. בשנים 1967-1964 שהה בשליחות בארצות הברית מטעם 'השומר הצעיר והסוכנות היהודית. בשנים 1997-1971 שימש כעורך ראשי בהוצאת 'ספרית פועלים'. בשנת 1973 שכל את בנו הבכור ליאור שנפל במלחמת יום הכיפורים בהיותו מפקד מחלקת טנקים בצפון תעלת סואץ.

בשנת 1951 יצא לאור ספר שיריו הראשון, 'שבילי עפר'. הספר התפרסם תחת השם 'נתן יונתן', צירוף של שם אביו עם שמו - יונה ונתן. במהלך חייו פרסם כשלושים ספרים, בהם 13 ספרי שירה, 4 ספרי שירים וסיפורים לבני הנעורים, קובץ סיפורים למבוגרים וכן מבחרי שירים שתרגם מיידיש משל איציק מאנגר, דורה טייטלבוים, פרץ מרקיש, לייב קויטקו, איציק פפר, דוד הופשטיין ואחרים. לאחר מותו ראו אור אסופה מכל שיריו שאותה הספיק לערוך בעצמו ('שירים בכסות הערב', 2004), מהדורה דו-לשונית של שיריו המתורגמים לאנגלית (2005) וקובץ שירים מעיזבונו ('שירים שנשארו', 2007). שיריו של נתן יונתן תורגמו ללשונות שונות וראו אור באנגלית, ביידיש, בערבית, ברוסית, בספרדית, בפורטוגזית, בצרפתית, בגרמנית, בהולנדית, בבולגרית, בוייטנאמית ובסינית.

 נתן יונתן הוא מהמשוררים המולחנים ביותר בזמר העברי. מאות משיריו הולחנו על ידי מיטב המלחינים בארץ ורבים מהם הפכו לקלאסיקה. בצעירותו כתב נוסחים עבריים לשירים רוסיים שהכיר מבית הוריו, מתנועת הנוער או מחוברות ומשירונים. הידועים שבהם: 'דוגית נוסעת', 'על ענפי שיטה', 'שאון התותחים נדם', 'טוב ללכת בדרכים' ועוד. בהמשך הולחנו שירים רבים שחיבר ואשר התפרסמו בספריו. המלחין הבולט ביותר של שירי נתן יונתן הוא ידידו נחום היימן, שהלחין עשרות משיריו, ביניהם: 'אניטה וחואן' ('שיר אהבה ישן'), 'חופים', 'החול יזכור', 'שירים עד כאן' ועוד. מלחינים נוספים שהרבו להלחין משיריו הם: גידי קורן ('כמו בלדה', 'אם העולם', 'שני אלונים', 'בסוף הדרך' ועוד), שלמה ארצי ('הרדופים ליד החוף', 'זמר לבני', 'האיש ההוא', 'רק עלה' ועוד) וסשה ארגוב ('אל הנירים האפורים', 'מילים', 'שיר ארץ' ועוד).

שירתו של יונתן ספוגה בנופי טבע ארץ-ישראליים ומלאים אהבה לאדמה ולמולדת. שירים רבים שלו הם שירי געגועים לארץ, והם נכתבו בתקופות בהן היה בשליחויות שונות בחו"ל. מקור השראה מרכזי נוסף של יונתן הם המקורות בכלל והתנ"כיים בפרט. גיבורי התנ"ך מככבים ברבים משיריו באופן מתוחכם ומשמשים רובד נוסף של משמעויות לשיר. בשירתו של נתן יונתן תופס השכול מקום נכבד, ורבים משיריו הוקדשו לבנו ליאור שנפל במלחמת יום הכיפורים ולחברים ומכרים נוספים שנפלו במלחמות השונות.

פרופ' יגאל שוורץ אמר על נתן יונתן:

נתן יונתן קיבל במהלך השנים פרסים רבים על יצירתו: פרס רמת-גן על שם יצחק למדן (1959), פרס זאב לספרות ילדים (1971), פרס טלפיר (1972), פרס ראש הממשלה (1975), פרס קוגל של עיריית חולון (1979), פרס 'נוצת הזהב' של אקו"ם ליצירה מקורית (1983), פרס פיכמן (1983), פרס ברנר (1984), פרס אלתרמן (1987), פרס ורטהיים של אוניברסיטת בר-אילן (1988), פרס ביאליק לספרות יפה על מפעל חיים (1990), פרס איציק מאנגר לתרגום מיידיש מטעם משרד החינוך והתרבות (1991), פרס ע"ש ש. שלום (1995), פרס ראש הממשלה (1997), פרס אקו"ם על מפעל חיים (2003).

במהלך השנים מילא נתן יונתן תפקידים ציבוריים שונים. בשנים 1984-1981 היה חבר מליאת רשות השידור. בשנים 1984-1983 כיהן כיו"ר אגודת הסופרים העבריים, ובשנים 1999-1995 - כנשיא האגודה. בשנותיו האחרונות היה 'משורר אורח' במערכת החינוך, נפגש במסגרת זאת עם מאות תלמידים מכל רחבי ישראל, הנחה סדנאות לכתיבה יוצרת בבית אריאלה, בבית הסופר ,ועוד. במרוצת השנים ערך הרצאות רבות בנושא הספרות העברית בקהילות יהודיות ובאוניברסיטאות ברחבי העולם ושימש כנציג הסופרים בכנסים ובמפגשים בינלאומיים רבים ברחבי העולם.

נתן יונתן נפטר ב-12 במרץ 2004, לאחר מחלה קשה. הוא נטמן בחלקת ההורים השכולים בבית הקברות בקריית שאול. לאחר מותו נוסדו שני פרסים ספרותיים על שמו. האחד, מוענק מטעם אקו"ם ליצירה המוגשת בעילום שם בתחום השירה. השני, פרס לשירה עברית מטעם מרכז ההדרכה לספריות בישראל ובשיתוף 'העמותה לשימור זכרו ומורשתו הספרותית של המשורר נתן יונתן'.