Era hijo de William Gyles (muerto en 1568), un parroquiano de St Clement, Worcester, y miembro de una familia de Worcester muy conocida. Thomas Giles, vicario coral de la Catedral de St Paul, Londres, al parecer no era pariente suyo. Nathaniel probablemente fue alumno de John Colden (nuerto en 1581), maestro de los Coristas en la Catedral de Worcester desde 1569 a 1581; fue testigo del testamento de Colden, y un beneficiario.

Giles sucedió a Colden en la catedral hasta Sanmiguelada de 1585, cuando se hizo maestro de los niños, clérigo laico, y uno de los organistas de la Capilla de St George, Windsor. El 14 de junio de 1587 Giles se casó con Anne Stainer en St Helen, Worcester. Uno de sus hijos (también llamado Nathaniel, nacido en 1591) recibió el DD y llegó a ser canonigo de Windsor y Worcester.  Giles recibió el BMus de Oxford el 26 de junio de 1585, época en que se describía como habiendo estudiado música durante 12 años (i.e. desde 1573, cuando tenía 15 años). Es posible que hubiera estado empleado en la Universidad de Magdalen en 1577. Postuló para el DMus en 1607; por alguna razón no compuso el ‘Himno coral de 8 partes' requerido, pero el doctorado se le concedió finalmente en 1622. 

Fue nombrado Gentleman y Master of the Children de la Capilla Real el 9 de junio de 1597; conservó éste y los nombramientos de Windsor hasta su muerte. Desde 1600 a 1602 estuvo involucrado en la producción de obras para coro de niños, y colaboró con Henry Evans en el Teatro de Blackfriars, empezando en el otoño de 1600. Giles y Evans se encontraron en problemas por usar la autoridad de la Reina Elizabeth para reclutar niños más con el propósito de su actuación en las obras que para que cantaran en el coro de la Capilla Real. Debido a una queja su colaboración acabó en 1602, aunque los niños del coro continuaron siendo usados en obras durante el reinado de James I. Según Wood, Giles era ‘notable tanto por su vida religiosa y su conversación (una rareza en los músicos) como por la excelencia de sus facultades'. Falleció alrededor de los 76 años de edad y fue enterrado en la capilla de Windsor. 

Los anthems de Giles, de los cuales sólo unos pocos fueron impresos, reflejan la diversidad contemporánea de acercamientos al género: las dos obras en "Teares or Lamentations" de Leighton (1614) son en simple homofonía de cuatro partes; otros, como "O give thanks to the Lord" de cinco partes, son densamente contrapuntísticos. La mayoría son verse anthems y requieren una alternancia de solistas y coro con acompañamiento de órgano. En su música de servicios, Giles era más aficionado a la técnica del canon; un servicio completo es canónico.  Creó principalmente música vocal, incluidos 20 himnos y seis motetes en latín. Es mejor conocido por sus composiciones sacras, que incluyen música para la liturgia anglicana, así como por sus apasionados madrigales. Su “Te Deum”  tiene instrucciones para que el organista toque una octava más baja de lo escrito, y uno asume  que] esto es para dar la sonoridad 'oscura' de una parada de órgano de 10 pies en lugar del color cotidiano de la parada principal estándar de 5 pies del órgano Tudor. Su “Vestigia mea dirige” se incluyó en la colección de manuscritos conocida como “Dow Partbooks”.