Родилась 9 июня 1981 года в Иерусалиме. Ее настоящая фамилия Хершлаг. Отец Натали - специалист по лечению бесплодия, а мать какое-то время была актрисой, затем домохозяйкой и в настоящее время является агентом Натали. Когда дочери было три года, семья переехала в США. Какое-то время они пожили в Вашингтоне, а позже перебрались в Коннектикут, но спустя два года вновь переехали, на этот раз, в Нью-Йорк. С самого раннего детства Натали занималась танцами, а уже в школьные годы стала проявлять активный интерес к науке. Летние каникулы будущая актриса проводила в театральном лагере. Как-то в одной пиццерии к Натали обратился представитель модельного агентства с предложением стать моделью, но Портман отказалась от предложения, ответив, что предпочла бы стать актрисой. Так, вскоре для нее организовали участие в кастинге на роль в фильме Люка Бессона, который Натали благополучно прошла.
Старт актерской карьеры получился довольно громким, ввиду успеха самого фильма «Леон», вышедшего в 1994-ом году, и явного таланта Натали, которая к этому моменту меняет свою оригинальную фамилию на Портман (девичью фамилию еврейско-русской бабушки актрисы по материнской линии). Следующей актерской работой стали съемки в короткометражном телевизионном фильме «Развитие». А очередная роль в большом кино опять оборачивается большим успехом. В этот раз Натали Портман выпадает играть на одной съемочной площадке вместе с Аль Пачино и Робертом Де Ниро в фильме «Схватка», который было горячо принят зрителями. Карьера Натали начинает набирать обороты, и в 1996-м выходят уже три фильма с ее участием: «Красивые девушки», «Все говорят, что я люблю тебя» и «Марс атакует!». В тот же период она играет в театральных бродвейских постановках. Спустя три года после выхода своего последнего фильма Натали Портман вместо забвения подписывает контракт на съемки в трех планируемых новых эпизодах легендарной трилогии «Звездные войны» по приглашению самого Джорджа Лукаса. Эта роль выводит Портман на новый уровень популярности. При этом сама Натали скромно пропустила премьеру первого эпизода, чтобы получше подготовиться к выпускным экзаменам. А после окончания школы она благополучно поступила в престижный Гарвардский университет изучать психологию.
В последующие годы учебы Натали не вела слишком активной актерской деятельности, однако сыграла несколько ролей в таких фильмах, как «Где угодно, только не здесь», за который была номинирована на «Золотой глобус», драме «Там, где сердце», исполнила небольшую роль в ленте «Холодная гора» и, конечно же, в очередной части «Звездных войн». Также она продолжала периодически играть в театре. Во время учебы в университете Натали уделяла время различным научным и исследовательским работам.
После окончания Гарварда в 2003 году Натали Портман не сразу окунулась в съемки, а отправилась путешествовать инкогнито, в одиночку, в Марокко и Гватемалу, ночуя в палатке и общаясь с местным населением. В 2004 году она сыграла в двух независимых лентах: драме «Страна садов» и «Близость», за которую получила премию «Золотой глобус» и была номинирована на «Оскар». В последующие годы выходят такие заметные картины с ее участием, как «Париж, я люблю тебя», ««V» значит Вендетта», «Нью-Йорк, я люблю тебя», в которой Натали также выступила как режиссер и сценарист одной из новелл. В мае 2007 года конкурсную программу Каннского кинофестиваля открыла лента Вонг Карвая «Мои черничные ночи», где Натали ярко сыграла одну из ключевых ролей. Большим внимание зрителей пользовалась историческая драма «Еще одна из рода Болейн», а среди последних высоко отмеченных работ можно назвать такие фильмы, как «Любовь и прочие обстоятельства» и «Черный лебедь», за исполнение роли в котором Натали Портман была удостоена премий «Оскар» и «Золотой глобус».
Актриса также является активной защитницей прав животных и окружающей среды. Сама Натали с восьми лет стала вегетарианкой и не пользуется изделиями из кожи и меха, более того, в 2007-м году она запустила собственную линию обуви из искусственных материалов.
На съемках фильма «Черный лебедь» Натали начала отношения с танцором Нью-Йоркского театра балета Бенжаменом Мильпье, от которого в июне 2011 года родила сына.
