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, профессор кафедры акушерства и гинекологии Медицинской школы Хофстра (Hofstra North Shore — Long Island Jewish School of Medicine at Hofstra University), выпускник Медицинской школы Хадасса Еврейского университета в Иерусалиме. Мать — бывшая домохозяйка, а ныне агент Натали. Предки актрисы по материнской линии — евреи из России и Австро-Венгрии (они иммигрировали в США и изменили фамилию с Эдельштейн на Стивенс), а по отцовской линии — из Румынии и Польши. Дед Натали по отцовской линии, родители которого умерли в Освенциме, был профессором экономики в Израиле, а её прабабушка румынского происхождения была шпионом британской разведки во время Второй мировой войны. Сценический псевдоним «Портман» — девичья фамилия еврейско-русской бабушки актрисы по материнской линии, Бернис Стивенс (Bernice Stevens, род. 1925).
В 1994 году Натали прошла кастинг к фильму Люка Бессона «Леон» (фр. L?on), 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. Таким образом, её дебют в художественном кино состоялся, когда ей было всего 13 лет.
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 вышли 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.
Интересно также, что роль Сабэ, служанки Падме Амидалы, предстающей в её образе для защиты королевы, сыграла Кира Найтли, которая внешне очень похожа на Натали Портман. Фразы Сабэ в фильме были дублированы голосом Натали. Даже матери этих двух актрис не смогли отличить одну от другой, когда те были в гриме. До этой роли Кира Найтли играла незаметные роли в сериалах и на телевидении. Таким образом, роль Сабэ стала для неё первой в большом кино, и получила она её исключительно благодаря внешнему сходству с Натали Портман. Стало быть, Натали повлияла, хоть и косвенно, на карьеру Киры.
В сентябре того же года Натали появилась в драме «Где угодно, только не здесь». Она сыграла Энн Огаст, 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». Сначала она отказалась играть главную роль в этом фильме, так как в первоначальном варианте сценария была предусмотрена сексуальная сцена с участием Натали. Но перед началом съёмок Сьюзен Сарандон сказала продюсерам, что не будет сниматься в фильме, если Натали Портман не сыграет роль её дочери. Поэтому она вместе с режиссёром Уэйном Ваном потребовала переработки сценария, что и было сделано, и Натали присоединилась к проекту.
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.
Научные работы Портман сделали её одной из немногих актрис с определённым числом Эрдёша-Бэйкона (см. также число Эрдёша) — это полушуточный метод, основанный на теориях тесного мира и шести рукопожатий, определяющий минимальное совокупное число связей через научные работы и роли в фильмах, которыми определённый человек отделён, соответственно, от венгерского математика Пола Эрдёша и американского актёра Кевина Бэйкона. В 2003 году актриса окончила Гарвард с дипломом бакалавра в области психологии. Весной 2004 года Портман проходила обучение в Еврейском университете в Иерусалиме. В марте 2006 года она прочитала лекцию в Колумбийском университете на тему противодействия терроризму, рассказывая, в частности, о фильме «V — значит вендетта».
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, а также в Испании, Италии и Тунисе. Выйдя в прокат 16 мая 2002 года, фильм, 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 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, участвовала в кинофестивале «Сандэнс» и получила премию «Независимый дух» за лучший дебютный фильм, 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. Кроме того, картина стала самым кассовым фильмом года в США. 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. Также Натали специально занималась с преподавателем сценической речи, учась говорить с английским акцентом. За роль Иви актриса уже в который раз была номинирована на премии «Сатурн» и Teen Choice Awards. Исполнительница главной роли отметила политическую важность фильма и упомянула, что главный герой, который вербует Иви в члены антиправительственной группы, часто совершает плохие поступки, которые не нравятся зрителям. Натали хотела сыграть эту роль, так как, будучи гражданкой Израиля, видит проблемы терроризма и насилия крайне актуальными. Также актриса сказала, что фильм не делает никаких ясных и чётких выводов, оставляя это право зрителям.
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.
4 марта 2006 года Натали приняла участие в шоу «Субботним вечером в прямом эфире». В SNL Digital Short она изобразила сердитого гангста-рэпера, дающего интервью Крису Парнеллу. Песня «Рэп Натали» была выпущена в 2009 году на альбоме «Incredibad» американской комедийной группы The Lonely Island. В другом скетче она сыграла студентку по имени Ребекка Хершлаг (настоящая фамилия актрисы) на праздновании бат-мицвы, а ещё в одном скетче сыграла специалиста по репродуктивной медицине (профессия отца актрисы).
В мае 2007 года фильм Вонг Карвая «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. Эта роль Портман получила высокие оценки критиков, так как, по выражению Ричарда Корлисса, «на этот раз она играет не беспризорницу или ребёнка-принцессу, а зрелую, склонную к полноте женщину, и актриса уже не может использовать на благо в кадре свою привлекательную внешность». В том же году Натали озвучила подругу Барта Симпсона Дарси в эпизоде «Маленькая большая девочка» 18-го сезона Симпсонов. Также Натали Портман появилась в снятом Мишелем Гондри музыкальном видео Пола Маккартни «Dance Tonight» из его альбома «Memory Almost Full» 2007 года.
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. После выхода этого фильма журнал Blender назвал Натали одной из самых горячих женщин кино и телевидения.
В октябре 2009 года состоялась премьера военной драмы «Братья» с участием Джейка Джилленхола, Тоби Магуайра и Натали в главных ролях. Фильм повествует о внезапно вспыхнувших чувствах между Грэйс Кэхилл и Томми, младшим братом её мужа Сэма, ушедшего на войну в Афганистан.
Осенью 2010 года вышел фильм «Любовь и прочие обстоятельства» с Портман в главной роли. Её героиня — молодой адвокат Эмилия Гринлиф, пережившая ужасную трагедию: её новорождённая дочь Изабель умерла, прожив всего один день. Эмилия впадает в глубокую депрессию. Вновь обрести вкус к жизни героине помогает общение с сыном супруга от первого брака. Натали также является продюсером этой картины.
В сентябре 2010 года в прокат вышел «Чёрный лебедь» Даррена Аронофски (премьера в России состоялась в феврале 2011 года). В нём Портман сыграла балерину, стремление которой получить роль в балете «Лебединое озеро» перерастает в одержимость. Чтобы подготовиться к этой роли, ей пришлось тренироваться от 5 до 8 часов каждый день в течение 6 месяцев и похудеть на 9 килограммов. Впрочем, в конечном счёте большую часть постановок на сцене исполнила Сара Лейн, прима-балерина Американского театра балета с 22-летним стажем. По словам самой Лейн, Портман является изумительной актрисой, но за полтора года решительно невозможно достигнуть того уровня профессионализма, который требовался для исполнения крайне трудных даже для опытных балерин сцен в фильме.
В январе 2011 года Натали получила премию «Золотой Глобус» как лучшая актриса за роль в этом фильме. А в феврале 2011 года получила «Оскар» в той же номинации. После получения Портман премии «Оскар» возник спор по поводу того, кто выполнил большую часть танца на сцене в фильме. Сара Лейн утверждала, что Натали выполнила лишь 5 % танца. Кроме того, балерина сказала, что создатели фильма попросили её не говорить об этом, пока не пройдёт церемония вручения премии. Режиссёр Аронофски встал на защиту актрисы, настаивая на том, что Портман исполнила 80 % танца.
21 января 2011 года вышла романтическая комедия «Больше чем секс». Компанию актрисе составил Эштон Кутчер. Картина собрала хорошую кассу, окупив производственный бюджет в несколько раз. Многие критики полагали, что роль в данном фильме могла дискредитировать «серьёзный статус» актрисы и поставить крест на получении «Оскара» за роль в фильме «Чёрный лебедь» (чего в итоге не произошло). Сама актриса призналась, что не любит сниматься в романтических комедиях, объяснив желание сняться в этом фильме тем, что он не похож на все остальные картины данного жанра.
Следующей актёрской работой Натали стала вновь комедия «Храбрые перцем», мировая премьера которой прошла 8 апреля 2011 года, а 12 мая картина вышла в России. Но данный фильм пользовался уже намного меньшей популярностью у зрителей, провалившись в прокате, не окупив производственный бюджет и получив, по большей части, разгромные рецензии кинокритиков. Роджер Эберт поставил фильму лишь одну звезду из четырёх, назвав героиню Портман клоном Зены, не имеющей никакой индивидуальности.
После экспериментов с комедийными картинами Портман вернулась к драматическим ролям, сыграв роль Джейн Фостер в фильме Кеннета Брана «Тор», который вышел в российский прокат 28 апреля 2011 года. Картина собрала неплохую кассу, получив, по большей части, положительные отзывы кинокритиков. В частности, Алекс Экслер похвалил Натали Портман, сказав, что она сыграла даже лучше, чем требуется для комикса.
Актриса принимала участие и в предвыборных президентских кампаниях разных лет, являясь сторонницей Демократической партии. 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. Однако в интервью 2008 года она сказала: «В какой-то степени мне импонирует Джон Маккейн. Я не согласна с его военной позицией, которая является слишком грандиозным предприятием, но я думаю, что он очень нравственный человек».
У Портман были романтические отношения с актёрами Гаэлем Гарсиа Берналем и Джейком Джилленхолом. 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 Левином, 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 года.
Во время съёмок фильма «Чёрный лебедь» Натали начала встречаться с танцором Нью-йоркского театра балета Бенжаменом Мильпье, французским евреем по происхождению. 27 декабря 2010 года представители актрисы сообщили прессе, что Натали и Бенжамен обручились и ждут ребёнка. 14 июня 2011 года Натали родила сына, Алефа Портмана-Мильпье.