Natascia Tonelli studia la letteratura dei primi secoli e la poesia del secondo Novecento.
È componente del Comitato Nazionale per le Celebrazioni del settecentenario dantesco 1321-2021 e del Consiglio scientifico dell'Ente Nazionale Giovanni Boccaccio. È coordinatrice nazionale di un progetto di ricerca dedicato a Petrarca e ai suoi corrispondenti (PRIN 2017 ITINERA). È codirettrice delle riviste Per leggere e Studi Petrarcheschi.
Coordina un seminario di studenti e dottorandi per il commento collettivo a Quare Tristis di Giovanni Raboni.