Az Oscar-díjas színésznő Natalie Hershlag néven született Jeruzsálemben, édesapja izraeli orvos, édesanyja amerikai művész, amerikai és izraeli állampolgársága is van.
Hároméves volt, amikor a család Izraelből az Egyesült Államokba költözött, ahol előbb Washingtonban, majd később New Yorkban éltek. Négyévesen már táncórákat vett, különleges szépségére hamar felfigyeltek. Több modellszerződést is kínáltak neki, de ezeket rendre visszautasította, mert a színészet és a tanulás érdekelte. Kedvenc tárgya a matematika volt, mert abban mindenre talált választ, nyaranta művészeti táborban vett részt, ahol különböző darabokat állítottak színpadra.
Tizenkét évesen tűnt fel az azóta már kultuszfilmmé vált Léon, a profi című krimiben, és ekkor vette fel nagymamája lánykori nevét. Ezután több kisebb szerepet kapott, sőt
Júliaként gondoltak rá a Rómeó és Júlia modern változatának elkészítésekor, de végül túl fiatalnak találták Leonardo DiCaprio partnerének.
A komoly és ambiciózus fiatal sztár meztelen jeleneteket nem vállalt, így kedvéért átírták a Mindenütt jó című film forgatókönyvét, alakításáért Golden Globe-díjra jelölték.
A széleskörű ismertséget a Csillagok háborúja trilógia előzményeit elmesélő újabb három filmben Amidala hercegnő szerepe hozta meg számára. Rá jellemző módon az első film bemutatójára el sem ment, mert középiskolai záróvizsgájára készült. A forgatás évei alatt
elvégezte a Harvard Egyetem pszichológia szakát, mint mondta: „inkább akarok okos, mint híres lenni.”
Azóta több tanulmányt publikált és azon kevesek egyike, akik rendelkeznek Erdős-Bacon-számmal is. (A tudományos élet és a szórakoztatóipar kisvilág-tulajdonságát illusztráló Erdős-Bacon-szám az Erdős- és a Bacon-számok összege. Mindkét szám egy-egy „ismeretségi” láncot jelöl – az Erdős-szám azt mutatja, hogy tudományos publikációin, pontosabban azok társszerzőin keresztül hány lépés távolságra van valaki a világhírű magyar matematikus Erdős Páltól, a Bacon-szám pedig a Kevin Bacon amerikai színésztől való „távolságot” méri filmszerepeken keresztül.)
Portman a legkülönbözőbb műfajokban remekelt, volt leányanya (Ahol a szív lakik), a Milos Forman rendezte Goya kísérteteiben a spanyol festő múzsája, Boleyn Anna (A másik Boleyn lány), kopaszra borotvált lázadó (V mint vérbosszú), de forgatott habkönnyű romantikus vígjátékot is (Csak szexre kellesz). A Thor című fantasy-filmben a főhős szerelmét, egy tudóst játszott, a Király! című komédiában a főszerepet alakította.
2004-ben a Közelebb című drámában nyújtott alakításáért Oscar-díjra jelölték, de az arany szobrocskát akkor még elhalászta előle Cate Blanchett, a Golden Globe-díjat viszont neki ítélték. A csúcsra épp tíz éve ért fel:
Darren Aronofsky Fekete hattyú című pszicho-thrillerének balerina szerepéért a Golden Globe-, majd az Oscar- és a BAFTA-díjat is megkapta.
A darab nemcsak fizikai kihívást jelentett számára (naponta öt órát gyakorolt), de a súlyos pszichózisoktól szenvedő táncosnő megszemélyesítése érzelmileg is megterhelte. A film magánéletét is megváltoztatta: a forgatáson egymásba szerettek a koreográfus Benjamin Millepied-vel, a házaspárnak azóta két gyermeke született.
Portman a kamera túloldalán is kipróbálta magát, előbb egy kisfilmben (Eve, 2005), majd tíz évvel később Ámosz Oz izraeli író Szeretetről, sötétségről címmel megjelent önéletrajzi regényéből Jeruzsálemben forgatta első nagyjátékfilmjét, amelynek forgatókönyvét is ő írta és a főszerepét is eljátszotta. A szintén 2015-ben bemutatott, a harmincas években játszódó, Planetarium című francia kísértethistóriában Lily Rose Depp-pel (Johnny Depp lányával) spiritiszta testvéreket alakítottak.
Az ezúttal produceri feladatokat vállaló Aronofskyval újabb közös munkájuk a Jackie című életrajzi film volt 2016-ban.
Az 1963-as dallasi merénylet után néhány nappal játszódó drámában a meggyilkolt amerikai elnök özvegyét, Jackie Kennedyt formálta meg,
alakítását újabb Oscar-jelöléssel honorálták a legjobb színésznő kategóriában.
Az utóbbi néhány évben forgatott tudományos fantasztikus horrort (Expedíció), zenés alkotást (Daltól dalig, Vox Lux), sci-fit (Lucy in the Sky), filmdrámát (The Death and Life of John F. Donovan) egyaránt. Jelenleg is folynak a Thor: Szerelem és mennydörgés posztprodukciós munkálatai, Portman a szuperhősfilm első két részében már szerepelt, de a harmadikat kihagyta.
A filmvászon mellett szerepel színpadon is.
Tizenévesen az Anne Frank naplójának címszerepét alakította a Broadwayn
(emiatt utasította vissza A suttogó főszerepét, amelyet Scarlett Johansson kapott meg), Csehov Sirályában Meryl Streep, Kevin Kline és Philip Seymour Hoffman oldalán játszott, hangját kölcsönözte rajzfilm-figuráknak is.
A törékeny, 160 centiméter magas színésznő vegetáriánus, a veszélyeztetett állatfajok védelmezője, aki számos jótékonysági ügyhöz adta nevét és arcát, és többször is előkelő helyen szerepelt a legszebb emberek listáján. 2011-ben ő lett a Dior francia divatház új kampányának arca.
2018-ban neki ítélték a „zsidó Nobelként” emlegetett Genesis-díjat a jelenkor társadalmi problémák, valamint a zsidóság és Izrael iránti elkötelezettségének elismeréseként.
Tavaly nyáron több más hírességgel együtt társtulajdonosa lett Los Angeles női labdarúgócsapatának, idén tavasszal pedig produkciós céget alapított.
