Natalie Hershlag urodziła się 9. czerwca 1981 roku w Jerozolimie. Posiada izraelskie i amerykańskie obywatelstwo. Jest jedynym dzieckiem Shelley, amerykańskiej gospodyni domowej i Avnera Hershlaga obywatela Izraela, ginekologa. Jej przodkowie od strony matki to żydowscy imigranci z Rosji i Austrii, zmienili nazwisko z "Edelstein" na "Stevens", zamieszkali w USA. Jej dziadek od strony ojca był Polakiem pochodzącym z Rzeszowa, jego rodzice zginęli w Auschwitz, był profesorem ekonomii w Izraelu, a jej rumuńska prababka była szpiegiem brytyjskiego wywiadu podczas II wojny światowej. Rodzice Natalie poznali się w centrum żydowskim na Uniwersytecie Stanowym w Ohio. W wieku 3 lat aktorka przeniosła się wraz z rodziną do Waszyngtonu, następnie gdy miała 7 lat do Connecticut, by po dwóch latach wyjechać na Long Island w Nowym Jorku. W Waszyngtonie uczyła się w Charles E. Smith Jewish Day School, gdzie nauczyła się hebrajskiego. W Nowym Jorku uczęszczała do The Solomon Schechter Day School. Ukończyła Syosset High School w Syosset na Long Island w roku 1999. W 2003 roku Portman została absolwentką Uniwersytetu Harvarda na wydziale psychologii. Natalie zaczęła uczyć się tańca w wieku 4 lat. W wieku 10 lat przedstawiciel koncernu Revlon zaproponował jej posadę modelki, Natalie odmówiła, chciała skoncentrować się na aktorstwie. Spędzała wakacje szkolne na obozie teatralnym. Kiedy miała dziesięć lat, wzięła też udział w castingu do show Off-Broadway'u - Ruthless!. W 1994 roku wzięła udział w castingu do filmu Luca Bessona - "Leon Zawodowiec" z Jeanem Reno w roli głównej. Zaraz po otrzymaniu roli zmieniła nazwisko na panieńskie nazwisko jej babci "Portman". Za występ zebrała entuzjastyczne recenzje, co otworzyło jej drzwi do dalszej kariery. Z dziecięcych ról warto wymienić udział u boku Ala Pacino w "Gorączce" i występ w filmie "Marsjanie Atakują!". W tym okresie odrzuciła ofertę wcielenia się w tytułową rolę w "Lolicie" Adriana Lyne'a. W 1997 roku Portman zagrała rolę Anny Frank w broadwayowskiej adaptacji "The Diary of Anne Frank". Przełomem w jej karierze była rola w pierwszej części Gwiezdnych wojen George'a Lucasa, dzięki filmowi pokazała się szerokiej publiczności na dużym ekranie na całym świecie. Wzięła udział w sumie w 3 częściach sagi jako Padmé Amidala. Od tego czasu wystąpiła w wielu wielkich hitach kinowych. Za rolę w melodramacie "Bliżej" otrzymała nominację do Oscara i nagrodę Złotego Globu w kategorii 'Najlepsza aktorka drugoplanowa'. W roku 2011 otrzymała Oscara i Złoty Glob w kategorii 'Najlepsza aktorka pierwszoplanowa' w filmie "Czarny łabędź". Natalie Portman jest zwolenniczką Partii Demokratycznej, bierze udział w wielu akcjach charytatywnych. Od 2009 spotyka się z Benjaminem Millepied, z którym poznała się na planie "Czarnego łabędzia". W roku 2011 urodziła ich syna Alepha Portman-Millepied.