És la filla única d'un metge israelià i d'una artista deCincinnati (Ohio,EUA). Quan tenia tres anys els seus pares van decidir mudar-se aMaryland a causa del pobre estat de salut del seu avi, resident a Amèrica, i a les expectatives de treball del seu pare. Després de diverses mudances més, i quan Natalie tenia ja nou anys, la família s'instal·là finalment aNova York. Allí, la jove va tenir oportunitat de viure de primera mà el teatre, els museus i el cinema, en bona part guiada pels seus pares. També va rebre classes de dansa moderna dels quatre fins als dotze anys.[3]
En el rodatge deFree Zone, 2005
Tenia deu anys quan va rebre la seva primera oferta de feina, provinent d'un caça talents que li va oferir treballar com a model en veure-la en una pizzeria. Primerament va impulsar la seva carrera pel món de la moda, però finalment es va decantar per la seva faceta d'actriu i va debutar al cinema per la porta gran: després de moltes audicions,Luc Besson li va donar un paper a la seva pel·lículaLéon, també coneguda comEl professional, que fou protagonitzada perJean Reno el 1994.[4] Va ser aleshores quan va decidir canviar-se el nom i va adoptar el cognom de soltera de la seva àvia paterna, a fi de mantenir la privadesa dels seus cognoms reals. Ella mateixa ha reconegut que en aquesta època va ser víctima d'assetjament escolar, cosa que va acabar comportant el seu canvi d'institut, i que solia treure molt bones notes. Després va participar en altres importants pel·lícules comHeat (1995), en què compartia escenes ambAl Pacino;Beautiful Girls,Mars Attacks!, deTim Burton, oTothom diu "I love you", deWoody Allen (totes tres del 1996).En un principi fou contractada per interpretar la filla deKristin Scott Thomas aL'home que xiuxiuejava als cavalls, deRobert Redford (1998), però finalment va haver de rebutjar el paper per poder fer l'obra deBroadwayEl diari d'Anne Frank (en la qual ella interpretava la famosa nena), que resultà un enorme èxit. El seu paper a la pel·lícula el va interpretar l'Scarlett Johansson.
Natalie Portman va fer el seu debut com a directora de cinema amb un curtmetratge que es va estrenar integrat a "New York, I love you" (2009), en què també va actuar.
L'any 2010, «Cigne negre», protagonitzada per Portman, va ser la pel·lícula escollida per obrir el Festival de Cinema de Venècia. La pel·lícula, i sobretot la interpretació de l'actriu, en la pell d'una ballarina que progressivament entra en un món de violenta bogeria, va rebre grans crítiques de forma immediata. Al llarg de l'any, Portman va guanyar la majoria de premis a la Millor Actriu arreu del món, inclòs els seus segons Globus d'Or i Bafta, el premi del Sindicat d'Actors americà i, finalment, l'Oscar. Tot aquests premis els va recollir embarassada del seu primer fill, fruit de la relació amb el coreògraf i principal ballarí del film,Benjamin Millepied. Per tal de resultar convincent en el paper d'una ballarina professional, especialment en les espectaculars escenes en què apareix ballant, l'actriu es va sotmetre a un intens entrenament des de diversos mesos abans de començar el rodatge.
Durant els primers mesos del 2011 es van estrenar tres pel·lícules que comptaven amb la seva presència: "Sense compromís", comèdia romàntica ambAshton Kutcher; "Your Highness" i la superproducció "Thor", dirigida perKenneth Branagh. També va esdevenir imatge de la colòniaMiss Dior Cherie, de la qual va protagonitzar una campanya publicitària. Al juny d'aquell mateix any va néixer el seu fill, anomenat Aleph.
El 2012 es va mantenir allunyada de les pantalles. L'agost va contraure matrimoni amb Benjamin Millepied.
Portman torna al cinema a la tardor del 2013, amb "Thor: The Dark World" i "Night of cups", de Terrence Malick. També produeix la seva segona pel·lícula, després de "Hesher" (2010): "Jane got a gun", rodada aNou Mèxic, ocupa les notícies del món cinematogràfic des de, literalment, el seu primer dia de rodatge, en què la directoraLynn Ramsay no fa acte de presència. Dos dies després, és substituïda perGavin O'Connor. El canvi de director causa que tantJude Law, que havia de ser un dels protagonistes juntament amb Portman, com el director de fotografiaDarius Khondji optin també per abandonar el projecte i hagin de ser substituïts a correcuita.[5]
En 2016, Portman va tenir el paper protagonista en la pel·lículaJackie, de Pablo Larrain, un drama biogràfic sobre la primera dama americana Jacqueline Kennedy Onassis, després de la mort del seu marit, el president John F. Kennedy.[6] La pel·lícula li va valer un premi SAG, a més de nominacions a l'Oscar a la millor actriu,Globus d'Or a la millor actriu dramàtica, iBAFTA a la millor actriu.