Дочь профессора медицины, Натали родилась в Иерусалиме. После переезда в США, она с удовольствием занималась химией. Будучи ещё школьницей писала исследовательские  работы и участвовала в научных соревнованиях. 

Юная Натали увлекалась также танцами и все каникулы проводила в театральном лагере в Лох-Шелдреке, недалеко от Нью-Йорка. 

В 13 лет она прошла кастинг на роль девочки Матильды в известном фильме «Леон» режиссёра Люка Бессона.  Именно в это время Натали Хершлаг взяла себе псевдоним Портман. Дебютная роль  актрисы произвела великолепное впечатление на зрителей и критиков и принесла юной Натали Портман мировую славу.

Наиболее известные роли актрисы: роль Падме Амидала в трилогии «Звёздные войны», Марти в картине «Красивые девушки», Энн Огаст в фильме «Где угодно, только не здесь», Алисия в исторической картине «Призраки Гойи», Новали Нэйшн в фильме «Там, где сердце», Саманты в «Стране садов».

Актёрские работы Натали Портман в фильмах «Близость» и «Чёрный лебедь»  удостоены таких высоких наград в киноискусстве, как «Оскар», «Золотой глобус, премии BAFTA и «Сатурн».

После съёмок в фильме «Чёрный лебедь» актриса вышла замуж за Бенжамена Мильпье, танцора театра балета Нью-Йорка. Счастливая пара воспитывает сына Алефа.