Nació como Natalie Hershlag el 9 de junio de 1981 en Jerusalén, Israel. Nominada a los premios de la academia y ganadora de un Globo de Oro, Portman es una actriz de cine y teatro estadounidense de origen israelí internacionalmente conocida por su papel de Padmé Amidala en la segunda trilogía de la saga Star Wars.

Habla hebreo, inglés, francés, japonés, alemán y algo de español. Es lactovegetariana y, según ha manifestado, no toma alcohol ni drogas.

Antes de los 12 años, sus padres le habían cambiado el apellido judío por otro más fácil y comercial, el de su abuela, para favorecer así su carrera artística. Comenzó como modelo, aunque su estatura, algo inferior a 160 centímetros hizo que buscara iniciar su carrera artística por otras vías.

Su debut cinematográfico lo tuvo Portman a los 12 años en Léon el Profesional, película de Luc Besson estrenada en 1994. Rodó sus escenas durante las vacaciones. Esta exigencia la ha mantenido en posteriores películas, lo que le ha permitido iniciar la carrera de psicología. Sus padres obligaron a suprimir una escena en la que debía aparecer desnuda y a rectificar el guión en los pasajes en que la niña se mostraba fascinada por la violencia.

En los años siguientes Portman intervino en Beautiful Girls (1995), de Ted Demme, en Heat (1995), en la que actuó con Al Pacino, en Mars Attacks (1996), de Tim Burton, protagonizada por Jack Nicholson y Glenn Close y en Todos dicen I Love You (1996), de Woody Allen. Esta última resultó ser una experiencia dura para una actriz juvenil, ya que Allen prefiere no dar instrucciones precisas a sus actores y obtener registros de improvisación.

En 1996 Portman tuvo que abandonar su intervención en Romeo y Julieta, de Baz Luhrmann, debido a la diferencia de edad entre ella y Leonardo DiCaprio. Por otra parte rechazó ofertas de trabajo en Lolita (1997), de Adrian Lyne, debido a su alto contenido sexual, y en La tormenta de hielo (1997), de Ang Lee, debido a que su personaje era demasiado siniestro.

En A cualquier otro lugar (1999), de Wayne Wang, también obligó a eliminar las escenas en las que debía aparecer desnuda. Los productores quisieron sustituirla, pero Susan Sarandon, protagonista de la película, se negó a ello. Portman fue nominada a un Globo de Oro como mejor actriz de reparto, que se llevó Angelina Jolie.

A los 18 años Portman se independizó de su familia y de sus asesores. La fuerza del amor (1999), de Matt Williams, fue el primer trabajo que realizó sin sus padres, y el primero en que hizo una escena de amor. Interpretó también por primera vez el papel de madre. Fue criticada por su fallido intento de imitar un acento sureño.

Portman ha actuado en los tres últimos episodios de Star Wars, de George Lucas. Fue contratada en 1997 para estas tres películas. Curiosamente, no había visto ninguno de las anteriores y tardó en aceptar. Rodó el primer episodio a los 16 años durante el verano de 1997, el segundo a los 19 años durante el verano del 2000 en Australia, Tunez, España e Italia y Marzo del 2001 en Londres, y el tercero a los 22 años en los estudios de Fox en Australia durante el 30 de junio hasta setiembre de 2003. Su papel en esta nueva trilogía fue el de la reina y después senadora Padmé Amidala, esposa de Anakin Skywalker y madre de Luke y Leia.

En 2003, inmersa en la finalización de sus estudios superiores de psicología, participa en Cold Mountain de Anthony Minghella con un pequeño papel de mujer abandonada con un hijo pequeño.

Pero tenía que llegar 2004 para que Portman lanzase su carrera definitivamente hacia papeles más serios y adultos. En el verano llegó Algo en Común, un inesperado éxito de público y crítica en Estados Unidos, con la que demostró que podía participar en películas independientes.

Aunque tendría que esperar a finales de año, con el estreno de Closer de Mike Nichols, para su confirmación como estrella y gran actriz. Gracias a esta película consigue un Globo de Oro a la Mejor Actriz Secundaria por su papel de Alice. No sería esta la última buena noticia, ya que también fue nominada a los Oscars por este mismo papel en la categoría de Actriz Secundaria, aunque esta vez no se llevaría la estatuilla.

En 2005 estrena la independiente Free Zone de Amos Gitai y la superproducción V de Vendetta de James McTeigue (para la que se rapó totalmente la cabeza).

En 2006 graba en España, Los fantasmas de Goya de Milos Forman junto a Javier Bardem, interpretando a la musa del genial pintor Goya. Los escenarios son variados, destacando los exteriores rodados en el Parque "El Retiro" de Madrid así como en el Palacio del infante Don Luis de Boadilla del Monte.

La actriz ha estado varias veces en España, rodó una escena en la Plaza de España (Sevilla) en Star Wars Episodio II: El Ataque de los Clones, y recientemente para rodar Los fantasmas de Goya ha estado en Madrid y Segovia

Tras haber rechazado anteriormente papeles con escenas de desnudo en el 2007 realizó un corto de 12 minutos, "Hotel Chevalier", dirigido por Wes Anderson, en el que aparece totalmente desnuda. El film ya está colgado en internet, y predecerá en los cines al próximo largometraje de Anderson.