Su familia es una interesante mezcla de culturas. Sus abuelos son judíos polacos y rumanos. Sus padre es un medico israelí, especialista en tratamientos de infertilidad y su madre es un ama de casa norteamericana. Seguramente se conocieron en Estados Unidos (su padre estudió medicina en Yale) y se trasladaron a vivir a Israel donde viven sus abuelos paternos.

Natalie, nació en Jerusalén, Israel, el 9 de Junio de 1981. Cuando tenia 3 años (en 1984, ante la inestabilidad en la zona, decidieron emigrar a Estados Unidos para llevar una vida mas tranquila y con menos peligros). En primer lugar fueron a Washington, y cuatro años después de trasladaron a Conneticut. Dos años más tarde, en 1990 cambiaron a su actual ciudad en Long Island, Nueva York.

Su nombre tiene origen en la palabra latina "Natalis" (que significa "nacimiento" o "el día del nacimiento") A partir de aquí se derivan diferentes significados dependiendo de la interpretación que se haga como "comadrona" (la que ayuda o asiste en el nacimiento), o incluso algunos hacen una interpretación mas libre y sacan (Natale Domine, es decir el día del nacimiento de Dios o nacido en Navidad).

Portman es el apellido de su abuela ya que ella y sus padres quieren preservar la intimidad. Otra de las razones por las que eligió no utilizar su apellido era por miedo a que su actuación en "Leon, El Profesional" influyese negativamente en la carrera profesional de su padre. (Su padre es un reputado médico que seguramente tiene fama de ser una persona seria y el Personaje de Mathilda era una niña de 12 años de un barrio marginal, su familia trafica con drogas, ella vive con un asesino a sueldo y quiere aprender el oficio, fuma e intenta seducir a un adulto). Ella siempre ha querido separar su carrera de su vida familiar.

Desde muy pequeña estuvo en contacto con el mundo de la interpretación. Desde muy pequeña ella quería ser actriz. A los cuatro años comenzó a aprender danza (ella era la mas joven de la compañía de baile moderno en Washington), ella siempre estaba cantando o bailando en el escenario, en el colegio, en casa. Ella jugaba con sus primos a hacer Shows en directo con un micrófono. Cuando tenia 5 años era muy mandona.

Ella ha contado que tenia 11 años y estaba en una pizzería en Long Island después de su clase de gimnasia, una representante de la firma de cosméticos Revlon la vio y le propuso ser modelo publicitario. Pero el anuncio no llego ha hacerse por falta de presupuesto. Natalie dijo que ella ya no quería hacer mas de modelo y que lo que le gustaba era actuar porque el mundo de la moda le parece muy aburrido.

Le buscaron un agente cinematográfico y consiguió su primer papel en el cine en 1994 como Mathilda en "El Profesional", una película de Luc Besson, la eligieron entre más de 1000 niñas según dicen por su capacidad para llorar, aunque en un principio la descartaron por ser demasiado joven. 

Leon. El Profesional fue su primera película y exceptuando una actuación en una obra de teatro llamada "Ruthless" este era su primer trabajo de verdad.

En los veranos del 94 y del 95 ella fue al prestigioso campamento "Stagedoor Manor Performing Arts Camp" donde ella interpretó los papeles de Dora en "Fiorello" (94), un pequeño papel en "Anne of Green Gables" (94), también interpretó a Sally en "Cabaret" (95), a Annie en "Annie Get Your Gun" (95) y algunos pequeños papeles en obras como "A Midsummer Night's Dream" y "Tapestry".

Después protagonizó el cortometraje "Developing" (1995), y también participó en la película "Heat" (1995) donde interpretó a la introvertida hijastra, con instintos suicidas, de Al Pacino.

Renunció a interpretar Lolita, el remake que el director Adrian Lyne hizo de la famosa película de Kubrick, porque no se encontraba "preparada para interpretar a una niña que hace el amor con un hombre de 50 años".

"Beautiful girls" (1996) de Ted Demme, donde interpreta a Marty una adolescente que flirtea con su vecino, interpretado por Tim Hutton. "Mi personaje es el más inteligente del grupo, pero al mismo tiempo no es tan analítica como los adultos que la rodean, sino que ve las cosas tal como son. 

"Mars Attacks!" de Tim Burton y "Everyone says I love you", el musical de Woody Allen donde hacia de Laura. Iba a interpretar The horse whisperer, adaptación de la novela "El hombre que susurraba a los caballos", que dirigió Robert Redford pero finalmente no actuó.

Después la vimos interpretando 2 papeles (La reina Amidala y Padmé Naberie) en "Star Wars Episodio I".

Tras graduarse con "A" (sobresaliente según el sistema americano) en el Syosset High School y sacar una puntuación de 1320 en los "PSATs" (que es el equivalente a las pruebas de acceso a la universidad y que tienen una puntuación máxima de 1600, por lo que una puntuación de 1320 corresponde nada menos que a un 8.25 sobre 10). Actualmente está estudiando Psicología Clínica en Harvard.