Aunque nació en Jerusalén (Israel), Natalie vive desde muy niña en los EEUU, ya que a los tres años de edad su familia trasladó su residencia a la ciudad de Nueva York.
En su infancia y en la Gran Manzana cursó estudios de danza. A los once años y mientras estaba comiendo en una pizzería neoyorquina fue descubierta como modelo.
Este trabajo la llevó a incursionar en el cine e 1994, Por su interpretación en el drama de Wayne Wang “A Cualquier Otro Lugar” (1999), Natalie fue nominada a los Globos de Oro como mejor actriz secundaria.
Además de su faceta como actriz cinematográfica, Natalie ha participado en obras de teatro (“The Seagull”) y ha escrito artículos periodísticas, muchos de ellos centrados en sus orígenes israelitas.
Su carrera como intérprete tampoco ha sido impedimento para interrumpir su formación académica, estudiando psicología en la Universidad de Harvard.
En el año 2004 ganó el Globo de Oro como mejor actriz secundaria por “Closer” (2004), film dirigido por Mike Nichols por el que también fue nominada al Oscar.
Otros títulos de su filmografía son la distopía futurista “V de Vendetta” (2005), “Los Fantasmas De Goya” (2006), película de Milos Forman en la que encarnaba a una musa del gran pintor aragonés, o la película “Mr. Magorium y Su Tienda Mágica” (2007), film fantástico co-protagonizado por Dustin Hoffman.
Fue Ana Bolena en “Las Hermanas Bolena” (2008), película con la participación de Eric Bana como Enrique VIII y Scarlett Johansson como María Bolena.
En “Brothers” (2009), película dirigida por Jim Sheridan, interpretaba a la mujer de Tobey Maguire y la cuñada de Jake Gyllenhaal.
Ganó el Oscar a la mejor actriz principal y un Globo de Oro por su actuación en “Cisne Negro” (2010), película dirigida por Darren Aronofsky en la que interpretó a una bailarina.
En la comedia romántica “Sin Compromiso” (2010) mantenía una relación con Ashton Kutcher.
En “Thor” (2011) era una científica llamada Jane Foster.
En la parodia medieval “Caballeros, Princesas y Otras Bestias” (2011) compartió protagonismo con James Franco.
Natalie debutó como directora con “A Tale of Love and Darkness” (2015), film que adaptó el libro autobiográfico “Una Historia De Amor y Oscuridad” del escritor israelí Amos Oz. Un año después protagonizó el western “La Venganza De Jane” (2016).
En cuanto a su vida sentimental, Natalie ha mantenido romances con el músico Moby y los actores Lukas Haas y Gael García Bernal. Su última pareja es el bailarín francés Benjamin Millepied, con quien tuvo a su primer hijo, llamado Aleph (nacido en el año 2011), y a quien
conoció en el rodaje de “Cisne Negro”. Se casaron en el año 2012.
Portman es judía no religiosa, vegana por propia iniciativa desde los catorce años y aún estando embarazada. Habla hebreo, inglés y, aunque no los domina, ha tomado clases de francés, japonés, alemán y español.
Entre sus parejas conocidas se encontraron los actores Lukas Haas, Jake Gyllenhaal, Gael García Bernal y Liron Levo, el modelo Nathan Bogle, y los cantantes Moby y DevendraBanhart, este último la invitó a participar en el vídeo musical de su canción “Carmensita”.
En diciembre de 2010 la revista People anunció que Portman estaba comprometida con el coreógrafo Benjamin Millepied, a quien conoció
mientras trabajaba como coreógrafo en la película Black Swan, y en espera de su primer hijo. Portman dio a luz a su hijo Aleph Portman-Millepied el 14 de junio de 2011. Portman y Millepied se casaron el día 4 de agosto de 2012 en una ceremonia judía cerca de Big Sur, California.