Esas adı Natali Herşlag olan Natalie Portman, 9 Haziran 1981 tarihinde İsrail, Jerusalem'de (Kudüs) ailesinin tek çocuğu olarak doğmuştur. Natalie'nin babasının ailesi Polonya ve Romanya'dan göçen Yahudiler olup annesinin ailesi de Avusturya ve Rusya kökenli Yahudilerdir. Natalie Portman'ın babası endokrinoloji uzmanı bir doktordur. 3 yaşına geldiğinde ailesi ile birlikte 1984 de ABD. Washington'a taşındılar. Daha sonra 1990 yılında taşındıkları yer New York idi. Natalie 1999 yılında liseyi New York'da Syosset High School'da bitirdi. Eğitimine Harvard Üniversitesi, psikoloji bölümünde devam edip 2003 yılında mezun oldu. Natalie Portman, Kudüs'teki Hebrew Üniversitesi'nde yüksek lisans yapmaktadır. Orta okul çağındayken 13 yaşından itibaren yaz tatillerinde tiyatro kamplarına gitmiştir.

4 yaşından beri dans dersleri alan Natalie Portman, sinema kariyerine ilk adımı modellik sayesinde olmuştur. 12 yaşında çocuk modelliği yapmaya başlamış ve 14 yaşında, Luc Besson'un Leon adlı filminde oynadığı rolle dünya çapında üne kavuşmuştur. Star Wars serisinin son üç filminde Kraliçe Amidala rolü ile şöhret basamaklarını hızla tırmanmıştır.

Natalie Portman, 2005 yılında "Closer" filmindeki rolüyle En İyi Yardımcı Kadın Oyuncu Oscarına aday gösterildi ve aynı dalda Altın Küre ödülünü aldı. 2011 yılında "Black Swan" filmindeki rolüyle En İyi Kadın Oyuncu Oscarına ve Altın Küre'ye aday gösterildi. Altın Küre'yi ve Oscar'ı kazandı.