Nathan Giem erhielt zunächst Musikunterricht bei Mehli Mehta, im Alter von 14 Jahren setzte er seine Studien bei Franco Gulli an der Indiana University in Bloomington und später am Konservatorium in Amsterdam fort. Darüber hinaus besuchte er Meisterkurse u. a. bei Dénes Kovács, Eszter Perenyi, Ruggiero Ricci, Pinchas Zukerman und bei Mitgliedern des Orion Quartetts.

In der Position des Konzertmeisters war er u. a. beim Tokyo Philharmonic Orchestra, Columbus Symphony Orchestra, Los Angeles Camerata und zuletzt beim Hungarian Radio Symphony Orchestra unter der Leitung von János Kovács und Tamás Vásáry tätig.

Darüber hinaus wirkte er beim Budapest Symphony Orchestra und dem Solti Kammerorchester.

Als erster Geiger des Kuttner Quartetts trat Nathan Giem u. a. im Kennedy Center in Washington, D.C. auf. Darüber hinaus gastierte er in der Carnegie Zankel Hall als Mitglied des Kolot Ensemble von Bloomington (Indiana) und nahm beim Open Chamber Music Festival in Prussia Cove in Cornwall teil.

Neben seiner Tätigkeit als Geiger ist Nathan Giem Musikdirektor des Illini String Orchesters der University of Illinois.