Natascia Tonelli studia la letteratura dei primi secoli e la poesia del secondo Novecento.
È componente 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) e di un PRIN PNRR 2022 dedicato al censimento dei codici petrarcheschi in Italia (Petrarchan Italian Manuscripts. A complete census). È codirettrice delle riviste Per leggere, Studi Petrarcheschi, Studi e Problemi di Critica Testuale.
Coordina un seminario di studenti e dottorandi per il commento collettivo a Quare Tristis di Giovanni Raboni.