Nathan Dahlberg commence sa carrière cycliste professionnelle en 1988 au sein de l'équipe américaine 7-Eleven. Les années suivantes, il court pour différentes équipes, notamment 7-Eleven-American Airlines-Wamasch (1989), 7-Eleven-Hoonved (1990), Motorola (1991), Spago (1992), Team Hohenfelder-Concorde (1999) et l'équipe cycliste Marco Polo (2003).
Sa première course pour l'équipe est le Tour du Pays basque, où il termine 73e au classement général. Il participe ensuite à l'Amstel Gold Race et à Bordeaux-Paris, puis au Grand Prix Betekom, où il se classe sixième.
Nathan Dahlberg, participe au Tour de France en 1988 et 1989, sa première participation au Tour est due à la blessure de son coéquipier, Bob Roll, qui percute un spectateur la veille du départ. Dahlberg qui rentre d'un sortie entraînement est attendu par membre de l'équipe qui lui dit qu'il doit se rendre en France le lendemain. Ils roulent toute la nuit et arrivent à 5h30 du matin, la première étape étant prévue à 9h. Au Tour d'Italie en 1990 il termine 39e. Dahlberg passe sa carrière comme équipier pour d'autres coureurs, participant occasionnellement à des courses pour sa propre marque.
En 2001, Dahlberg ne court pas pour une équipe professionnelle, mais il obtient d'excellents résultats. En avril, il gagne le Tour du Maroc, une course de 13 étapes où il s’adjuge la 5e étape avec 54 secondes d'avance s’empare du maillot de leader qu’il conserve lors des étapes suivantes.
En 2005, alors qu'il court pour l'Marco Polo Donckers Koffie, Dahlberg et son compatriote néo-zélandais Robin Reid se lancent un défi: parcourir 10 000 km le plus rapidement possible. Dahlberg perd, car il passe une grande partie de l'année 2005 en tant que directeur de l'équipe.
Après sa retraite sportive, Dahlberg intègre l’encadrement de l'équipe Marco Polo Cycling–Donckers Koffie jusqu'à sa disparition en 2012. En 2015, il se lance dans la tentative de record du monde de la plus haute altitude parcourue à vélo. Il choisit Broad Peak pour cette tentative, car son terrain était suffisamment plat pour lui permettre de parcourir les 20 mètres requis pour le record. Lors de l'ascension du 12e plus haut sommet du monde, il glisse sur la glace et chute, mais parvint à se rattraper avec son piolet. Il s'en sort avec une simple coupure à la tête, mais perd son passeport et d'autres objets de valeur. Son équipe abandonne l'expédition au deuxième camp, les conditions étant devenues inadaptées à la tentative.
Dahlberg est décédé en Chine le , à l'âge de 59 ans.
