Asıl adı Natali Herşlag olan Natalie Portman, 9 Haziran 1981'de İsrail'in Kudüs kentinde dünyaya gelmiş, ailenin tek çocuğudur. Babası Polonya ve Romanya kökenli Yahudi bir ailenin, annesi ise Avusturya ve Rusya kökenli Yahudi bir ailenin soyundan gelmektedir. Endokrinoloji uzmanı bir doktor olan babasıyla birlikte 1984 yılında ABD'ye, Washington'a taşınan Portman, 1990'da New York'a yerleşmiştir. 1999 yılında Syosset High School'dan mezun olduktan sonra Harvard Üniversitesi'nde psikoloji eğitimine devam etmiş ve 2003 yılında lisans derecesini almıştır. Kudüs'teki Hebrew Üniversitesi'nde yüksek lisans eğitimini sürdürmektedir. Ortaokul yıllarında, 13 yaşından itibaren yaz tatillerini tiyatro kamplarında geçirmeye başlamıştır.
Dört yaşından beri dans eğitimi alan Natalie Portman, sinema kariyerine atılmadan önce modellikle tanışmıştır. 12 yaşında çocuk modelliği yapmaya başlayan Portman, 14 yaşındayken Luc Besson'un "Leon" filmindeki unutulmaz rolüyle dünya çapında tanınır hale gelmiştir. Ardından "Star Wars" serisinin devam üçlemesinde Kraliçe Amidala karakterine hayat vererek şöhretini perçinlemiştir.
Natalie Portman'ın oyunculuk kariyerindeki başarıları ödüllerle taçlanmıştır. 2005 yapımı "Closer" filmiyle En İyi Yardımcı Kadın Oyuncu dalında Oscar'a aday gösterilmiş ve aynı dalda Altın Küre ödülünü kazanmıştır. 2011 yılında ise "Black Swan" filmindeki performansıyla En İyi Kadın Oyuncu Oscar'ı ve Altın Küre'ye aday gösterilmiş, bu prestijli ödüllerin her ikisini de müzesine götürmeyi başarmıştır.