1917年のロシア革命後の時代は、作曲家アレクサンドル・グラズノフ、ピアニストのウラディーミル・ホロヴィッツ、チェリストのグレゴール・ピアティゴルスキーとの友情と協力によって特徴づけられました。ミルスタインはグラズノフのヴァイオリン協奏曲の主要な演奏者の一人となり、10歳で初めて演奏しましたが、彼のレパートリーはバロック、古典派、ロマン派の音楽を含めて増え続けました。
1928年、彼は偽造身分証明書を使ってアメリカに移住しました。そのため、いくつかの伝記には誤って1904年生まれと記載されています。1929年にレオポルド・ストコフスキー指揮のフィラデルフィア管弦楽団と共にアメリカでデビューしました。第二次世界大戦後は主にパリとロンドンを行き来し、1992年12月21日にロンドンで亡くなりました。
編曲家および作曲家としても活躍し、ミルスタインは多くの作品をヴァイオリン用に編曲し、自身のカデンツァも作曲しました。クリストファー・ニューペンが撮影した映画『ネイサン・ミルスタイン・イン・ポートレイト』の中で、彼はピンカス・ズーカーマンに「練習するだけでは十分ではない。もちろん練習は必要だが、より良く演奏する方法を発明しなければならない」と語り、82歳での最後のコンサートとなった1986年まで新しいヴァイオリン演奏法を発明し続けました。
1968年にフランスから「レジオン・ドヌール勲章」を授与され、アメリカではロナルド・レーガン大統領からケネディ・センター名誉賞を受賞しました。1975年にはバッハのソナタとパルティータの録音でグラミー賞も受賞しており、彼の演奏はしばしば最高の解釈とみなされています。