Natalie se narodila jako Neta-Lee Hershlag v roce 1981 v Jeruzalémě, odkud se ve svých třech letech se svými izraelskými rodiči přestěhovala do Spojených států. Rodina se nejdříve usadila ve Washingtonu, odkud se po čtyřech letech přesunula do Connecticutu. V roce 1990 se všichni trvale přestěhovali na newyorský Long Island.

Jako malá trávila prázdniny na divadelních táborech. Svou první divadelní zkušenost prožila v muzikálu Ruthless!, odkud její kroky už vedly na filmové plátno. Její první rolí se stala postava dvanáctileté Mathildy, kterou ztvárnila v roce 1994 po boku Jeana Reno v legendárním francouzském thrilleru režiséra Luca Bessona Leon. Od té doby vystupuje pod dívčím příjmením své babičky – Portman.

Pět let po prvním filmu přišla její slavná role královny Padmé Amidaly v prequelové trilogii Hvězdných válek (1999, 2002, 2005). Během natáčení dokonce dokončila studium psychologie na Harvardově univerzitě. Hvězdné války odstartovaly celou sérii slavných rolí, od postavy Evey ve filmu V jako Vendeta (2005) přes hlavní ženskou roli v Goyových přízracích Miloše Formana (2006) ženu zesnulého hlavního hrdiny ve válečném dramatu Bratři (2009) až po roli baleríny v psychologickém thrilleru Černá labuť (2010) režiséra Darrena Aronofskyho, za kterou získala Oscara, Zlatý glóbus a mnoho dalších ocenění.

Pět let po dosažení hereckého olympu se rozhodla vyzkoušet si také roli scenáristky a režisérky a natočila film Příběh lásky a temnoty (2015), ve kterém si zároveň zahrála hlavní roli. V příštím roce Natalie Portman uvidíme například v novém filmu Terrence Mallicka či ve snímku The Death and Life of John F. Donovan režiséra Xaviera Dolana.