Родился в Сан-Франциско. Учился в университете Джона Гопкинса в Балтиморе. С 1892 года ассистент кафедры гигиены в том же университете. С 1899 году доцент кафедры бактериологии университета в Кембридже. В 1921—1932 годах руководил основанным им институтом паразитологических исследований.
Основные исследования посвящены выяснению роли различных членистоногих в переносе возбудителей болезней людей и животных. В 1898 году Наттолл нашел в сыворотке крови животных вещества, токсичные для некоторых микроорганизмов, и показал, что такие антибактериальные свойства значительно повышаются при иммунизации животного.
Наттолл опубликовал свыше 200 научных работ. Является автором (в соавторстве) обширной монографии по иксодовым клещам. Опубликовал монографию по реакции преципитации.