Ранние годы
Родился в состоятельной еврейской семье. Брат Натансона — Н. А. Натансон — был крупным предпринимателем или банкиром.
Закончил Ковенскую мужскую гимназию. Учился в Медико-хирургической академии и Земледельческом институте в Санкт-Петербурге.
Женат первым браком на революционерке-народнице Ольге Шлейснер (Натансон).
В народническом движении
С конца 1860-х годов участвовал в антиправительственной деятельности. Вместе с женой был одним из организаторов народнического кружка «чайковцев». Чайковцы противостояли революционной доктрине нечаевцев, полагавших, что для достижения революционных целей все средства хороши. Чайковцы, напротив, проповедовали высокую мораль и самоусовершенствование. В 1869-71 годах подвергался арестам и заключению в Петропавловской крепости, а в 1872 году сослан в Архангельскую губернию. В том же 1872 году принял православие, чтобы жениться на последовавшей за ним в ссылку дворянке О. Шлейснер.
В 1876 году вернулся в Петербург. Организовал побег за границу своего товарища по кружку чайковцев П. А. Кропоткина, сидевшего в Петропавловской крепости. В том же году приступил к работе по объединению народнических кружков в единую революционную организацию, которая в 1878 году получила название «Земля и воля». В декабре 1876 года вместе с Г. В. Плехановым организовал демонстрацию на Казанской площади Санкт-Петербурга. В 1877 году в очередной раз арестован и после отбывания срока в Петропавловской крепости сослан в Восточную Сибирь. В ссылке служил главным счетоводом Кругобайкальской железной дороги, где приобрёл репутацию первоклассного ревизора и контролёра. По возвращении из ссылки в 1889 году поселился в Саратове, где устроился работать на местную железную дорогу.
С конца 1880-х в очередной раз приступил к работе по объединению разрозненных революционных кружков. Поставил своей целью объединить народническое, социал-демократическое и либеральное течения в российском освободительном движении. В сентябре 1893 года на учредительном съезде в Саратове была создана единая партия «Народное право». Партия имела свою штаб-квартиру в Орле и типографию в Смоленске, в которой печатались Манифест партии и революционные брошюры. В апреле 1894 года усилиями деятеля Охранного отделения С. В. Зубатова и его коллег партия была ликвидирована, а её лидеры арестованы. Натансон был в очередной раз сослан в Восточную Сибирь сроком на пять лет.
В партии социалистов-революционеров
По возвращении из ссылки жил в Баку, где работал бухгалтером в городской управе. В 1904 году эмигрировал в Европу и поселился в Швейцарии, где встречался с В. И. Лениным. К этому времени российское освободительное движение окончательно разделилось на социал-демократическое, либеральное и народническое течения. Последователи народников объединились в 1902 году в Партию социалистов-революционеров. После некоторых колебаний Натансон примкнул к партии эсеров и стал одним из её лидеров. После удачного покушения на министра внутренних дел В. К. Плеве поддержал террористическую тактику эсеров.
В сентябре 1904 года вместе с В. М. Черновым и Е. Ф. Азефом представлял партию эсеров на Парижской конференции российских оппозиционных партий, выработавшей совместную стратегию борьбы с русским самодержавием. Вёл переговоры с Плехановым, Лениным и другими социал-демократами с целью убедить их принять участие в общем деле. После Манифеста 17 октября 1905 года вернулся в Россию и поселился в Финляндии. На первом съезде партии эсеров в начале 1906 года избран членом Центрального Комитета партии.
