Родился в городе Белгороде Курской губернии в семье протоиерея.
Обучался в Курской духовной семинарии.
10 июня 1825 года окончил Киевскую духовную академию и определен бакалавром.
29 ноября 1827 года утвержден в звании магистра.
15 октября 1832 года — инспектор Тверской духовной семинарии.
17 марта 1833 года пострижен в монашество; 4 июля рукоположен во иеродиакона, а 11 июля — во иеромонаха.
С 15 июля 1834 года — ректор Подольской духовной семинарии; 9 сентября того же года возведён в сан архимандрита и 30 ноября назначен настоятелем Каменец-Подольского Свято-Троицкого монастыря.
С 5 мая 1839 года — ректор Костромской духовной семинарии и настоятель Богоявленского монастыря.
26 августа 1845 года хиротонисан во епископа Ревельского, викария Санкт-Петербургской епархии.
С 25 февраля 1850 года — епископ Старорусский, викарий Новгородской епархии.
19 декабря того же года переведен епископом Полтавским и Переяславским.
В 1860 году построил теплый храм в честь Покрова Пресвятой Богородицы в Красногорском Богословском Преображенском монастыре.
13 сентября 1860 года назначен епископом Архангельским и Холмогорским.
Основал в Архангельске приют для девочек, приобрёл для него обширное место и небольшой дом, чем положил начало женскому епархиальному училищу.
С 18 августа 1871 года — епископ Черниговский и Нежинский.
31 марта 1874 года возведен в сан архиепископа.
Владыка Нафанаил хотя и был примерный монах, но в служебной деятельности нередко был неправ, оказывая безграничную доверчивость некоторым лицам, умевшим завладевать его расположением. Кроме того, он легко поддавался первому впечатлению, по которому и составлял мнение о человеке, а потому одним верил на слово во всем, а другим без всякой причины ни в чем не доверял. При таком его характере нечестные люди, умевшие носить маску благонамеренности и благочестия, пользовались его милостью, а духовная консистория делала, что хотела.
Архиепископ Нафанаил был близким и любимым другом члена Св. Синода митрополита Ионы (Василевского).
Скончался 4 марта 1875 года. Погребен в алтаре главного Троицкого храма Троице-Ильинского монастыря под Черниговом.