Натали Портман родилась 9 июня 1981 года в Иерусалиме, в семье Авнера Хершлага и Шелли Стивенс. Отец актрисы — специалист по лечению бесплодия и репродуктивной эндокринологии, а мать — бывшая домохозяйка, а ныне агент Натали. Предки актрисы по материнской линии — евреи из России и Австрии, а по отцовской линии — из Румынии и Польши. Сценический псевдоним «Портман» — девичья фамилия бабушки-актрисы по материнской линии.

Когда Натали было три года, семья переехала из Израиля в США, где отец девочки мог повысить свою квалификацию. Сперва они жили в Вашингтоне, где актриса посещала еврейскую дневную школу Чарльза И. Смита(англ.)русск., но в 1988 году переехали в Коннектикут и окончательно обосновались на Лонг-Айленде, штат Нью-Йорк, в 1990 году.

С четырёх лет Натали занималась танцами и выступала с местными труппами. Актриса посещала еврейскую начальную дневную школу Соломона Шехтера(англ.)русск. в городке Глен Коув, штат Нью-Йорк и окончила среднюю школу Сиоссет(англ.)русск/ В 1998 году актриса стала соавтором исследовательской работы на тему «Ферментативная выработка водорода», которая дала ей возможность участвовать в научных соревнованиях Intel(англ.)русск.. Портман даже пропустила премьеру фильма «Звёздные войны. Эпизод I», чтобы подготовиться к выпускным экзаменам. В июне 2003 г. Натали стала выпускницей Гарварда, получив степень бакалавра в области психологии.

Кроме двух родных языков — иврита и английского — Натали изучала французский, немецкий, японский и арабский.

Все свои каникулы Портман проводила в театральном лагере Stagedoor Manor Performing Arts Camp. В 10 лет Натали участвовала в кастинге к спектаклю «Ruthless!» о девочке, собирающейся совершить убийство, чтобы получить главную роль в школьной постановке, и была выбрана дублёром Лауры Белл Банди (англ. Laura Bell Bundy). Когда девочке было 11 лет, агент фирмы Revlon(англ.)русск. предложил ей стать моделью, но она отказалась, так как хотела сконцентрироваться на актёрстве. В интервью одному из журналов Портман сказала: «Я отличалась от других детей. Я была амбициознее, знала, что мне нравится и чего я хочу, и усердно работала. Я была очень серьёзным ребёнком».

В 1994 году Натали прошла кастинг к фильму Люка Бессона «Леон» (фр. Léon), где сыграла свою первую главную роль, девочку по имени Матильда, которая дружит с наёмным убийцей Леоном (Жан Рено). Вскоре после получения роли актриса в целях секретности взяла псевдоним «Портман», однако на DVD-диске с режиссёрской версией фильма она упоминается в титрах как Натали Хершлаг. Фильм вышел в прокат 18 ноября 1994 года и в целом получил положительные отзывы.

В том же году Натали появилась в короткометражном телевизионном фильме «Developing» в роли Нины, дочери больной раком лёгких женщины по имени Бри (Лоурен Кон).

В 1995 году Портман сыграла в фильме «Схватка» с Аль Пачино и Робертом Де Ниро. Она появилась в роли Лорен Густафсон, приёмной дочери главного героя. Хотя фильм не получил никаких наград, он был отмечен критиками и стал коммерчески успешным.

В 1996 году на экраны вышло сразу три фильма с участием Натали. Первой была роль Марти в мелодраме «Красивые девушки» — фильме о жизни и отношениях бывших одноклассников. Затем последовала роль Лоры Дендридж в мюзикле Вуди Аллена «Все говорят, что я люблю тебя». Третьим был фильм «Марс атакует!» — фантастическая комедия Тима Бёртона о попытке захвата марсианами нашей планеты. Здесь Натали сыграла Тэффи Дэйл, дочь президента США. Предполагалось, что Портман получит главную роль в фильме «Ромео + Джульетта», но режиссёр Баз Лурманн решил, что она слишком мала, и роль отошла к Клэр Дейнс.

Натали сыграла главную роль в бродвейской постановке «Дневник Анны Франк» (1997) по реально существующему дневнику еврейской девочки, который та вела в период нацистской оккупации Нидерландов.

В мае 1999 года на экраны вышел фильм Джорджа Лукаса «Звёздные войны. Эпизод I. Скрытая угроза» с Портман в роли Падме Амидалы, королевы планеты Набу. До съёмок Натали не видела предыдущие фильмы серии. Хотя в технических номинациях картина претендовала на премию «Оскар», в целом она получила смешанные отзывы критиков и была номинирована на семь премий «Золотая малина», включая номинацию за худшую экранную пару (Натали Портман и Джейк Ллойд). Тем не менее, фильм собрал в мировом прокате 924.3 миллиона долларов и стал девятым в списке самых кассовых.

В сентябре того же года Натали появилась в драме «Где угодно, только не здесь». Она сыграла Энн Август, девушку, взгляды которой на жизнь отличаются от планов её матери (Сьюзан Сарандон). За эту роль Портман была номинирована на премии «Молодой актёр» и «Золотой глобус» (лучшая женская роль второго плана).Критик Мэри Элизабет Уильямс назвала актрису «изумительной» и отметила что она «в отличие от других актрис её возраста, не слишком сентиментальна и не слишком мужественна».

Натали также сыграла в фильме «Там, где сердце» (2000). Её героиня, 17-летняя беременная девушка Новали Нэйшн, остаётся одна в чужом городе, без средств к существованию и людей, которые могут ей помочь, и решает начать жизнь заново. За эту роль Натали была номинирована на премии «Молодой актёр» и Teen Choice Awards и выиграла премию Young Star Awards.

После окончания съёмок в фильме «Там, где сердце» Портман поступила на психологический факультет Гарвардского университета.В одном из интервью она заявила, что в течение следующих четырёх лет не будет сниматься нигде, кроме «Звёздных войн», чтобы сконцентрироваться на учёбе.Натали помогала известному американскому адвокату Алану Дершовитцу в его исследованиях, что было отмечено в его книге «The case of Israel». Отклик Портман на опубликованное в университетской газете эссе анти-израильской направленности был признан написанным весьма неплохо. В 2002 году Натали стала соавтором исследовательской работы под названием «Активность лобной доли мозга при объектном постоянстве» (англ. «Frontal Lobe Activation During Object Permanence»). Научные работы Портман сделали её одной из немногих актрис с определённым числом Эрдёша-Бэйкона(англ.)русск. (см. также число Эрдёша). В 2003 году актриса окончила Гарвард с дипломом бакалавра в области психологии. Весной 2004 года Портман проходила обучение в Еврейском университете в Иерусалиме.

Во время учёбы Натали не прекращала актёрскую деятельность. С июня по сентябрь 2000 года она участвовала в съёмках фильма «Звёздные войны. Эпизод II. Атака клонов», проходивших в Сиднее и Лондоне. Выйдя в прокат 16 мая 2002 года, фильм, также как и предыдущий в серии, не получил широкого признания у критиков. На этот раз Портман была номинирована уже на две премии «Золотая малина» (худшая женская роль второго плана и худшая экранная пара), но в то же время актриса получила номинацию на премию «Сатурн» и выиграла премию Teen Choice Awards.

В июле 2001 года Натали сыграла Нину в спектакле по пьесе А. П. Чехова «Чайка» в театре ДелакортШаблон:Ref-Delacorte Theaterрусск.. В этой постановке Майка Николса также были задействованы Мэрил Стрип, Кевин Клайн и Филип Сеймур Хоффман. В том же году она стала одной из многих знаменитостей, появившихся в незначительных ролях в комедии Бена Стиллера «Образцовый самец». Портман также сыграла небольшую роль в военной драме Энтони Мингеллы «Холодная гора» с Николь Кидман и Джудом Лоу.

В 2004 году Натали появилась в двух независимых фильмах. Первой была драма Зака Браффа «Страна садов», где она сыграла патологическую лгунью по имени Сэм. Картина была широко признана критиками, а Натали за эту роль была номинирована на две премии MTV Movie Awards и четыре премии Teen Choice Awards. Затем последовала роль Элис в фильме Майка Николса «Близость». Элис Айрес — молодая стриптизёрша, только что приехавшая в Лондон из Америки. В картине рассказывается история её отношений с Дэном Вульфом (Джуд Лоу). За эту роль Портман получила премию «Золотой глобус», а также была номинирована на множество других премий, включая «Оскар» и BAFTA.

15 мая 2005 года на Каннском кинофестивале состоялась премьера последнего из приквелов к «Звёздным войнам» под названием «Звёздные войны. Эпизод III. Месть ситхов». Этот эпизод был принят критиками и публикой намного теплее, чем предыдущие два фильма. Игра Натали была отмечена номинациями на премии «Сатурн» и Teen Choice Awards. Тогда же вышла картина «Свободная зона». На съёмках фильма в Иерусалиме Натали готовилась к сцене поцелуя. Прохожие заметили, что в кадр попадает Стена плача и прогнали актрису и всю съёмочную группу. В конце года состоялась премьера фильма «V — значит вендетта» с Портман в главной женской роли. Лента поставлена по одноимённому антиутопическому графическому роману Алана Мура. Действие происходит в 2038 году, в котором Британия — тоталитарное государство. По сюжету героиню Натали, девушку по имени Иви Хэммонд, арестовывают за антиправительственную деятельность, поэтому актрисе пришлось обриться налысо. По поводу своей новой стрижки Натали сказала: «Резкие необратимые перемены всегда интересны, и именно это придало мне смелости». Причёска стала причиной курьёзного случая: после съёмок Портман отправилась в Нью-Йорк, где полицейским не понравился её подозрительный вид; при проверке обнаружилось отсутствие регистрации. За роль Иви актриса уже в который раз была номинирована на премии «Сатурн» и Teen Choice Awards.

В киноальманахе «Париж, я люблю тебя» (2006) Натали сыграла во фрагменте «Faubourg Saint-Denis». Её героиня, девушка по имени Франсин, будущая актриса, влюбляется в слепого по имени Томас (Мельхиор Беслон). В конце 2006 года вышел фильм Милоша Формана «Призраки Гойи», где Портман появилась в роли Инес Бельбатуа, музы знаменитого испанского портретиста Франциско Гойи. До этого режиссёр не видел ни одной работы Натали, но заметил её сходство с девушкой на картине Гойи «Молочница из Бордо» и пригласил на съёмки.

В мае 2007 года фильм Вонга Кар Вая «Мои черничные ночи» с Портман в одной из второстепенных ролей открыл конкурсную программу 60-го Каннского кинофестиваля. Героиня Натали — Лесли, девушка-игрок, привыкшая блефовать и потому считающая сообщение о скорой смерти отца очередной ложью. Когда же оказывается, что её отец действительно умер, она чувствует себя виноватой в том, что не поверила. 3 сентября вышло сразу два фильма с участием Портман: приключенческая комедия «Поезд на Дарджилинг» и короткометражка «Отель „Шевалье“», являющаяся прологом к этому фильму. В обеих картинах Натали сыграла эпизодическую роль подружки младшего из трёх братьев, Джека. В ноябре увидел свет фильм Зака Хельма «Лавка чудес». Портман появилась в роли Молли Махоуни, юной пианистки, которая работает в магазине игрушек мистера Магориума (Дастин Хоффман).

Февраль 2008 года ознаменовался выходом в прокат исторической драмы «Ещё одна из рода Болейн» об эпохе правления короля Генриха VIII и соперничестве сестёр Анны (Натали Портман) и Марии (Скарлетт Йоханссон) Болейн за его сердце. Портман попробовала себя и в роли режиссёра — 1 сентября вышла короткометражка «Ева», а 6 сентября — киноальманах «Нью-Йорк, я люблю тебя», где Натали выступила и в роли актрисы.

Портман в 8 лет стала вегетарианкой, отказавшись от мяса всех видов, после того как увидела демонстрацию хирургического лазера на цыпленке во время медицинской конференции с её отцом. А спустя несколько лет отказалась от всех остальных продуктов животного происхождения. Натали защищает права животных и окружающую среду, была членом труппы World Patrol Kids. Она не носит мех, перья и кожу. В 2007 году Натали запустила собственную линию обуви из искусственных материалов, а также съездила в Руанду вместе с Джеком Ханной, чтобы снять документальный фильм под названием «Гориллы на грани» (англ. Gorillas on the Brink).Было объявлено, что в 2009 году актриса примет участие в рекламной кампании организации PETA (Люди за этичное обращение с животными, англ. People for the Ethical Treatment of Animals), направленной против использования натурального меха.

В 2004 и 2005 годах Натали посещала Уганду, Гватемалу и Эквадор в качестве посла организации FINCA International (англ.), которая помогает жительницам бедных стран получить микрокредиты, чтобы начать собственный бизнес. В закулисном интервью на концерте Live 8 в Филадельфии и на передаче Foreign Exchange with Fareed Zakaria канала PBS актриса также говорила о микрофинансировании. В марте 2006 года Натали выступила с лекцией в Колумбийском университете на курсе терроризма и контртерроризма, рассказав о своём фильме «V — значит вендетта». 29 апреля 2007 года на утренней воскресной передаче канала ABC This Week with George Stephanopoulos Портман обсудила свою работу с FINCA и какую пользу это может принести женщинам и детям стран третьего мира. Осенью того же года Натали посетила несколько университетов, включая Гарвард, Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе и в Беркли, Стэнфорд, Принстон, Нью-Йоркский (англ.) и Колумбийский университеты, чтобы рассказать студентам о силе микрофинансирования и убедить их вступать в FINCA.

Актриса принимала участие и в предвыборных президентских кампаниях разных лет. В 2004 году она поддерживала кандидата от Демократической партии Джона Керри, а на предварительных выборах 2008 года — сенатора Хиллари Клинтон. Когда же кандидатом в президенты от Демократической партии был избран Барак Обама, Натали также поддержала его кампанию.

У Портман были романтические отношения с актёрами Гаэлем Гарсиа Берналем и Джейком Джилленхалом. В майском номере журнала Vogue за 2002 год Натали назвала актёра и музыканта Лукаса Хааса и музыканта Моби своими близкими друзьями. Хотя сообщалось, что актриса встречается с солистом группы Maroon 5 Адамом Левайном, последний утверждает, что они всего лишь друзья. Предполагается, что Натали встречалась и с членом известной семьи мультимиллиардеров Нэтом Ротшильдом. Снявшись в клипе на песню «Carmensita», Портман стала встречаться с венесуэльским фолк-певцом Девендрой Банхартом. Их отношения закончились в сентябре 2008.