Elle quitte Jérusalem avec sa famille à l'âge de trois ans pour aller vivre à New York.
Très tôt un agent prend en charge sa carrière. Elle fait un peu de publicité au début, puis en 1993 elle obtient le rôle principal féminin dans Léon (de Luc Besson), au côté de Jean Reno.
Dès lors, sa carrière est lancée. Elle interprète la belle-fille d'Al Pacino dans Heat (1995), puis la fille du Président des Etats-Unis alias Jack Nicholson dans Mars Attacks de Tim Burton (1996).
Par la suite, elle chante dans Tout le monde dit i love you de Woody Allen.
Et, elle fait du théâtre avec le rôle d'Anne Frank dans Le journal D‘Anne Franck.
Son retour au cinéma est marqué par le rôle de la Reine Amidala dans Star wars : épisode 1 - La Menace fantôme (1999), rôle qu'elle reprend dans Star wars : épisode 2 - L'Attaque des clones (2000) et Star wars : épisode 3 - La Revanche des Sith (2004).
Natalie Portman, tourne ensuite dans des films à caractère dramatique : Ma mère, moi et ma mère, Où le coeur nous mène et Garden state , puis se lance dans le film historique avec Retour à Cold Mountain.
Elle accepte aussi un rôle sulfureux avec Closer, entre adultes consentants de Mike Nichols, dans lequel elle incarne une troublante strip-teaseuse.