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 en psychologie, 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!, elle chante la même année devant la caméra de Woody Allen (Tout le monde dit I love you). Cela ne l'empêche pas 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, apparaît aussi dans les épisodes 2 et 3 de la saga culte. En 2006, elle marque les esprits pour s'être rasée le crâne dans le dystopique V pour Vendetta. Elle se révèle tout aussi à l'aise dans des oeuvres contemporaines et intimistes, comme Garden state de Zach Braff, Closer de Mike Nichols et Free zone, tourné en Israël par l'intransigeant Amos 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. Elle est ensuite déchirée entre l'amour de deux hommes, Tobey Maguire et Jake Gyllenhaal, dans Brothers.

Natalie Portman fait ses premiers pas dans la réalisation avec Eve, un court métrage qu'elle écrit et dans lequel apparaissent Lauren Bacall et Olivia Thirlby. Son film fait l'ouverture du festival de Venise en 2008. Elle réitèrera l'expérience en mettant en scène l'un des courts métrages du film collectif New York, I Love You, avant de signer son premier et unique long, Une histoire d'amour et de ténèbres (2015), qui passe relativement inaperçu, malgré sa sélection en Séance Spéciale au Festival de Cannes.

Sa performance éprouvante tant physiquement que psychologiquement en ballerine prête à tout pour réussir dans Black Swan (2010) de Darren Aronofsky lui vaut une pluie de récompenses : elle obtient le BAFTA, le Golden Globe et l'Oscar 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.

Son incursion dans le Marvel Cinematic Universe (MCU) ne l'empêche cependant pas de tourner dans des productions plus intimistes et indés. Ainsi, elle collabore deux fois avec Terrence Malick (Knight of Cups et Song to Song), avec la française Rebecca Zlotowski (Planétarium), et le chilien Pablo Larrain, pour lequel elle se glisse dans le tailleur de Jackie Kennedy. Une performance qui lui vaut une nomination à l'Oscar de la meilleure actrice. 

La comédienne continue de prouver sa versatilité avec Vox Lux où elle est une popstar ; le déroutant Annihilation d'Alex Garland ; Ma vie avec John F. Donovan qui marque la première expérience hollywoodienne de Xavier Dolan ; et Thor: Love And Thunder où elle reprend le rôle de Jane Foster qui devient "Mighty Thor". En 2024, elle tourne sous la direction de Todd Haynes dans May December, où elle joue une actrice qui vient rencontrer celle qu'elle va incarner à l'écran, et s'immiscer de manière insidieuse dans sa famille.