Natalie Hershlag néven született Jeruzsálemben, az amerikai mellett izraeli állampolgársága is van.

Hároméves volt, amikor a család áttelepült az Egyesült Államokba, ahol hamarosan felfigyeltek a kislány különös szépségére.

Több modellszerződést is kínáltak neki, de ezeket rendre visszautasította, mert a színészet és a tanulás érdekelte, kedvenc tárgya a matematika volt, mert abban mindenre talált választ.

Tizenkét évesen tűnt fel az azóta már kultuszfilmmé vált Léon, a profi című krimiben, ekkor vette fel nagymamája lánykori nevét. Ezután több kisebb szerepet kapott, sőt Júliaként gondoltak rá a Rómeó és Júlia modern változatának elkészítésekor, de végül túl fiatalnak találták.

A komoly és ambiciózus fiatal sztár meztelen jeleneteket nem vállalt, így kedvéért átírták a Mindenütt jó című film forgatókönyvét.

A széleskörű ismertséget a Csillagok háborúja trilógia előzményeit elmesélő újabb három filmben Amidala hercegnő szerepe hozta meg számára. (Jellemző, hogy az első film bemutatójára nem is ment el, mert középiskolai záróvizsgájára készült.)

A forgatás évei alatt elvégezte a Harvard egyetem pszichológia szakát, mint mondta: inkább akarok okos, mint híres lenni.

Azóta több tanulmányt publikált és azon kevesek egyike, akik rendelkeznek Erdős-Bacon-számmal. (A tudományos élet és a szórakoztató ipar kisvilág-tulajdonságát illusztráló Erdős-Bacon-szám az Erdős- és a Bacon-számok összege. Mindkét szám egy-egy "ismeretségi" láncot jelöl - az Erdős-szám azt mutatja, hogy tudományos publikációin, pontosabban azok társzerzőin keresztül hány lépés távolságra van valaki Erdős Pál világhírű matematikustól. A Bacon-szám pedig a Kevin Bacon amerikai színésztől való "távolságot" méri filmszerepeken keresztül.)

Portman a legkülönbözőbb műfajokban remekelt, volt leányanya (Ahol a szív lakik), Milos Forman rendezésében a spanyol festő, Goya múzsája, Boleyn Anna (A másik Boleyn lány), kopaszra borotvált lázadó (V mint vérbosszú), de forgatott habkönnyű romantikus vígjátékot is (Csak szexre kellesz). Nemrég mutatták be a Thor című fantasy-filmet, amelyben a főhős szerelmét, egy tudóst játszik, és az idén került a mozikba a Király! című komédia, amelyben a főszerepet alakítja. Színpadon is sokat szerepel, kölcsönözte hangját rajzfilm-figuráknak és rendezett már egy kisfilmet is.

2004-ben a Közelebb című drámában nyújtott alakításáért Oscar-díjra jelölték, de a kitüntetést akkor még elhalászta előle Cate Blanchett. A csúcsra az idén ért: Darren Aronofsky Fekete hattyú című pszichothrillerének balerina szerepéért az Arany Glóbusz, majd az Oscar-díjat is magához szoríthatta.

A darab nem csak fizikai kihívást jelentett számára (naponta öt órát gyakorolt), de a súlyos pszichózisoktól szenvedő táncosnő megszemélyesítése érzelmileg is megterhelte.

A film magánéletét is megváltoztatta: a forgatáson egymásba szerettek a koreográfus Benjamin Millepied-vel, a pár nyárra várja első gyermekét.

A törékeny, 160 centiméter magas színésznő vegetáriánus, a veszélyeztetett állatfajok védelmezője, aki számos jótékonysági ügyhöz adta nevét és arcát. Többször is előkelő helyen szerepelt a legszebb emberek listáján, s azon néhány színésznő egyike, aki ugyanazért a szerepért (a Fekete hattyú táncosnőjéért) öt különböző díjat is megkapott.