Fille d'un médecin, Natalie Portman, née Hershlag, quitte Jérusalem à l'âge de trois ans pour aller vivre avec sa famille aux Etats-Unis, dans le Connecticut puis à Long Island. Repérée dans une pizzeria par un agent de mannequins, elle débute sur les planches avant d'obtenir, à 12 ans, le rôle féminin principal du Léon de Luc Besson, dans lequel elle donne la réplique au "nettoyeur" Jean Reno.
Elève brillante (elle étudia la psychologie à Harvard), la précoce Natalie Portman trouve néanmoins le temps de tourner avec les plus grands : belle-fille d'Al Pacino dans Heat de Michael Mann, fille du Président des Etats-Unis Jack Nicholson dans Mars Attacks! de Burton en 1996, elle chante la même année devant la caméra de Woody Allen (Tout le monde dit I love you). Cela n'empêche pas cette comédienne exigeante de refuser nombre de projets, de Lolita à Romeo + Juliette. En 1998, sa prestation dans Le Journal d'Anne Frank à Broadway ne passe pas inaperçue.
En 1999, Natalie Portman fait un retour fracassant sur les écrans dans Star wars - La Menace fantôme. Son personnage, Amidala, reine puis sénatrice dont s'éprend Anakin Skywalker, apparaîtra également dans les épisodes 2 et 3 de la saga culte de George Lucas. Si on la retrouve en 2006 en héroïne du film de SF subversif V pour Vendetta, l'actrice se révèle tout aussi à l'aise dans des oeuvres contemporaines et intimistes, comme Garden state, le hit indé de Zach Braff, Closer de Mike Nichols (sa composition de strip-teaseuse lui vaut une nomination à l'Oscar du Meilleur second rôle en 2005), ou même l'âpre Free zone, tourné en Israël par l'intransigeant Gitaï. Egérie glamour au même titre qu'une Scarlett Johansson (sa partenaire dans le film d'époque Deux soeurs pour un roi), muse de Goya pour Milos Forman, elle est une des icônes de l'Amérique fantasmée par Wong Kar-Wai (My Blueberry Nights) avant d'ouvrir la porte du Merveilleux magasin de Mr Magorium (2008), entre rêve et réalité.
Natalie Portman fait ses premiers pas dans la réalisation avec Eve, un court-métrage qu'elle a elle-même écrit et dans lequel apparaissent Lauren Bacall et Olivia Thirlby. Son court-métrage a fait l'ouverture du festival de Venise pour les courts en 2008. Plus tard, on la retrouve à l'écran dans Brothers de Jim Sheridan où elle est partagée entre Tobey Maguire et Jake Gyllenhaal. Elle continue dans la réalisation en mettant en scène un des courts-métrages du film collectif New York, I Love You. Elle apparaît également dans la séquence de Mira Nair du même film.
Sa performance éprouvante tant physiquement que psychologiquement dans Black Swan de Darren Aronofsky lui vaut une nomination au Golden Globe de la meilleure actrice. Par la suite, l'année 2011 se place plutôt sous le signe du divertissement populaire pour la comédienne. En témoignent sa participation à l'adaptation du comics Thor et Thor 2, à la comédie romantique Sex Friends d'Ivan Reitman et à la comédie médiévale déjantée Votre majesté de David Gordon Green.
En 2015, Natalie Portman est à l'affiche de deux films qui sortent la même semaine : l'envoûtant Knight of Cups du metteur en scène culte Terrence Malick et Jane Got a Gun, violent western qui a subi de nombreuses péripéties durant sa production.
