Natalie Portman se narodila 9. června 1981 ve městě Jeruzalém jako Neta-Lee Hershlag. Když jí byly tři roky, rodina se přestěhovala do Spojených států. Její otec je lékař a matka se později stala její manažerkou. Už od dětství vynikala nejen uměleckým talentem, ale také studijními výsledky, což ji provázelo po celou kariéru.

Před kamerou debutovala ve dvanácti letech ve filmu Leon (Léon: The Professional, 1994), kde hrála po boku Jean Reno. Její výkon v roli Matildy okamžitě zaujal kritiky i diváky a dodnes je považován za jeden z nejvýraznějších dětských hereckých debutů v historii moderního filmu.

Během druhé poloviny 90. let se objevila ve filmech jako Heat (Nelítostný souboj) nebo Anywhere but Here, ale celosvětovou slávu jí přinesla role Padmé Amidaly v nové trilogii Star Wars. Ve filmech Skrytá hrozba, Klony útočí a Pomsta Sithů vytvořila jednu z nejznámějších ženských postav sci-fi kinematografie.

Na rozdíl od mnoha mladých hvězd nepřerušila vzdělání. Studovala psychologii na Harvard University a absolvovala s výbornými výsledky. Sama opakovaně uvedla, že vzdělání pro ni bylo stejně důležité jako herecká kariéra.

Vrcholného uznání dosáhla filmem Černá labuť (Black Swan, 2010), kde ztvárnila baletku Ninu Sayers. Kvůli roli podstoupila náročný fyzický i psychický trénink a za svůj výkon získala Oscara za nejlepší ženský herecký výkon. Film bývá dodnes považován za jeden z vrcholů její kariéry.

V dalších letech se objevila ve filmech Jackie, kde ztvárnila Jacqueline Kennedy Onassis, dále ve filmech Annihilation, May December nebo jako Jane Foster v marvelovské sérii Thor. Je známá tím, že střídá velké hollywoodské projekty s umělečtějšími a nezávislými filmy.

Vedle herectví se věnuje také režii a produkci. Režírovala například film A Tale of Love and Darkness podle románu izraelského spisovatele Amos Oz. Hovoří plynně několika jazyky a dlouhodobě je považována za jednu z nejinteligentnějších a nejvzdělanějších osobností filmového průmyslu.

V osobním životě byla vdaná za francouzského choreografa Benjamin Millepied, kterého poznala během natáčení Black Swan. Mají spolu dvě děti.

Mimo filmovou kariéru je známá svým aktivismem. Podporuje ochranu životního prostředí, práva žen, vzdělávání a práva zvířat. Dlouhodobě se hlásí k veganství a často využívá svou popularitu k podpoře humanitárních a sociálních projektů po celém světě.