oyuncu bir anne ile doktor babanın tek çocuğudur. Portman, 1999 yılında liseyi Washington’da (Syosset High School) okudu. Sonrasında Harvard Üniversitesi, Psikoloji Bölümünden mezun oldu. 2003 yılında okulunu bitirdikten sonra  pizzacıda çalışırken Revlon ajansının bir çalışanı tarafından 12 yaşındayken keşfedildi.

Luc Besson'un kült filmi "Léon" filminde oynama fırsatı elde eden Natalie Portman, sonrasında "Heat" ve "Mars Attacks!" gibi filmlerde rol almıştır. 1996 senesinde Woody Allen yönetmeni olduğu "Everyone Says I Love You" ve Ted Demme imzalı "Beautiful Girls" filmlerinde oynadı. 1999 yılında Susan Sarandon ile rol aldığı "Anywhere But Here" filmi ile Sinema Dalında En İyi Yardımcı Kadın Oyuncu Altın Küre Ödülüne aday gösterildi.

Jude Law ve Nicole Kidman'ın rol aldığı "Soğuk Dağ" filminde küçük bir rol aldı. Natalie Portman, "Closer" (2004) filmindeki "Alice" rolü ile Yardımcı Kadın Oyuncu dalında BAFTA ve Oscar'a aday gösterildi. Altın Küre ödülü aldı. 2005 yılında "Star Wars" serisinin son filmi "Yıldız Savaşları: Bölüm III - Sith'in İntikamı" gösterime girdi ve yılın en çok izlenen filmi oldu.

"V for Vendetta"nın film uyarlamasında yer aldı ve film için saçlarını kestirdi. Ardından 1792'de İspanya'da geçen "Goya'nın Hayaletleri" (Goya's Ghosts, 2006) filminde "Goya’nın ilham perisi" rolünde yer alan başarılı oyuncu 2010 yılında "Black Swan" filminde "Nina" karakterine hayat verdi. Bu filmdeki oyunculuğu ile Oscar'ı kazanmayı başardı.