내털리 포트먼은 1981년 6월 9일 예루살렘에서 산부인과 의사인 아버지와 자칭 예술가인 어머니 사이에서 태어났다. 그녀의 나이 3세 때 많은 유태인들처럼 가족이 미국 워싱턴으로 이주했고 이후 고교를 졸업할 때까지 뉴욕에서 거주하였다. 우수한 성적으로 고교를 졸업하고 하버드 대학에 입학한 재원이다.
그녀는 많은 특별한 재능들을 가지고 있는데, 특히 4세부터 레슨을 받기 시작한 춤에 소질이 있다. 발레는 물론 탭댄스와 재즈댄스에 이르기까지 댄스광이라 할만한 재질을 갖추고 있다. 나탈리 포트만은 모델 에이전트의 소개로 데뷔하게 되는데 그녀의 본격적인 데뷔는 헐리우드가 아닌, 오프 브로드웨이 무대에서 이루어졌다. <루스리스> <어번 시어터 아트 캠프>, <피오렐로> 등의 연극에 출연한 그녀는 나이답지 않은 성숙한 연기로 주목을 받는다.
내털리 포트먼은11세 때 피자 가게에서 에이전트에 의해 픽업되었다. 주위에서는 모델을 권유했으나 그녀는 연기에 더 흥미를 가졌다. 이천 대 일의 경쟁률을 뚫고 영화 <레옹> 오디션에 합격한 그녀는 킬러의 가슴에 따뜻한 온기를 전해주던 마틸다 역으로 일약 스타의 길에 들어선다. 테드 드미 감독의 영화 <뷰티풀 걸>도 어떠한 면에서는 <레옹>의 연장선에 서 있다고 할 수 있는데, 티모시 허튼, 맷 딜런, 우마 서먼, 미라 소르비노 등 쟁쟁한 스타가 출연한 이 영화에서 그녀는 이웃 남자인 티모시 허튼을 갈등하게 만드는 영리하고 매력적인 소녀 마티를 연기했다.
그 외에도 나탈리 포트먼은 마이클 만 감독의 <히트>, 우디 앨런의 <에브리원 세즈 아이 러브 유>, 팀 버튼의 <화성 침공> 등에 출연했다. 애슐리 주드의 <노블리>에서는 월마트에서 남자친구에게 버림받고 임신한 소녀 역을 연기했고1999년에는 웨인 왕 감독의 <여기보다 어딘가에>를 통해 골든 글로브 최우수 조연 여배우 상의 후보로 지명되었다.
조지 루카스 감독의 <스타워즈> 시리즈에 파드메 아미달라 역으로 전격 기용된 그녀는 <클로저>에서 스트리퍼 역을 맡음으로써 성년이 되었음을 세계 팬들에게 알렸다. 그녀는 <클로저>로 골든글로브 최우수 여우조연상을 수상하였고, 런던 영화비평가 선정 최고 여배우상과 비평가주간상 후보, 온라인 영화비평가 선정 최고 여우조연상, 샌디에고 영화비평가 선정 최고 여우조연상을 받았다.