1981年，娜塔莉·波特曼出生于以色列的一个阿什肯纳兹犹太家庭，她是家中的独生女。3岁时，随父母移民美国纽约；4岁起开始学习舞蹈，并在当地舞团里表演；11岁时，她在一家快餐店里，被星探发现，邀请其做儿童模特，但被她拒绝了。
娜塔莉·波特曼会英语、法语、日语、德语、希伯来语、阿拉伯语6种语言。她从小学到高中，门门功课都拿A。高中时，她就读于纽约长岛的一所公立学校；在校期间，她凭借一篇名为《演示糖的氧气酶制法的简易方法》的论文入围英特尔科学奖的半决赛。之后，娜塔莉·波特曼在高中毕业时，同时收到了耶鲁大学和哈佛大学的录取通知书，她最终选择到哈佛大学攻读心理学。
1994年，她参加试镜争取吕克·贝松的电影《这个杀手不太冷》中，与一名中年职业杀手成为朋友的小孩一角，并成功获选。为保护隐私，波特曼随后以她祖母的娘家姓“波特曼”取作艺名，但在该片DVD所收录的导演剪辑版中，她属名为娜塔莉·赫许勒。《这个杀手不太冷》于1994年11月18日上映时，波特曼年仅十三岁。同年她演出了短片《Developing》，该短片于电视播出。
1995年，波特曼接连演出了《盗火线》、《大家都说我爱你》及《火星人玩转地球》等片，也在电影《美丽佳人》中担任主角。
1997年，波特曼推掉了《洛丽塔》和《罗密欧与朱丽叶》的片约而去参演舞台剧《安妮日记》，饰演安妮·法兰克。她起初因电影《管到太平洋》中有全裸戏而推辞了的邀约，但在导演王颖与演员苏珊·莎兰登要求修改剧情后，加入了该片的演出阵容。该片于1999年末上映，波特曼以片中安·奥格斯特一角获得金球奖最佳女配角提名。
1998年，波特曼主演了《星球大战前传三部曲》中帕德梅·艾米达拉一角。《星球大战：幽灵的威胁》于1999年初上映。波特曼随后与《女孩第一名》剧组签约，在片中领衔演出坚毅的年轻妈妈。在完成拍摄《女孩第一名》后，波特曼搬进了哈佛大学宿舍，专心攻读心理学学士。就读哈佛期间，波特曼担任过政治评论员的助手，展现对社会议题的关心。她曾投稿至哈佛的学生报，回应一篇反以色列的文章。
2000年，波特曼在雪梨拍摄《星球大战II：克隆人的进攻》，并于伦敦进行周边制作。
2001年，波特曼加入了麦克·尼克斯导演、纽约公共剧院制作的契诃夫的戏剧《海鸥》，在其中饰演妮娜一角，与梅丽尔·斯特里普、凯文·克莱恩、菲利普·西摩·霍夫曼等人同台对戏。该戏剧于中央公园的戴拉寇特剧院开幕演出。同年，波特曼与众多明星一同于电影《超级名模》中客串演出。波特曼也在电影《冷山》中与裘德·洛及尼科尔·基德曼同台，扮演小角色。
2003年，波特曼取得了哈佛心理学学士学位。
2004年，她又回到故乡耶路撒冷，在希伯来大学进行研究生课程。
2006年，她以客座讲师身份在哥伦比亚大学讲授恐怖主义与反恐怖主义的课程，还引用了自己主演的电影《V字仇杀队》中的内容。
2008年，未满27岁的娜塔莉·波特曼受邀成为戛纳电影节评委。除了评审，她还带来了自己导演的短片，收录在短篇集《纽约，我爱你》之中，并拉来斯嘉丽·约翰逊加盟。同年9月，她带着她的导演处女作、21分钟短片《前夕》参加威尼斯电影节展映。这一年她获得tccandler评选的全球最美脸蛋第一名。
2010年，她主演的《黑天鹅》上映，影片使她获得第83届奥斯卡最佳女主角奖。同年，她还参演了大卫·戈登·格林执导的《王子殿下》和斯宾塞·萨瑟执导的另类文艺片《海瑟》。
2011年，她主演的《雷神》在中国上映。
2012年，娜塔莉·波特曼现身《圣杯骑士》拍摄现场，影片于2013年上映。同年12月25日，美国《福布斯》公布了2012年好莱坞“最具性价比”演员榜单，娜塔丽·波特曼位列榜首，成为年度投资回报率最高的演员。
2013年，娜塔莉·波特曼出演的《雷神2：黑暗世界》在美国上映。
2015年，娜塔莉·波特曼确认在《性之基础》（On The Basis Of Sex）中饰演美国大法官鲁丝·巴德·金斯伯格。
2015年，娜塔丽·波特曼在《福布斯》公布的2015全球最高薪女星排行榜中，以年收入600万美元，排第18名。
2015年，出演西部片《拿起枪的简》，她扮演的简从一介弱女子化身西部女枪手，挺身而出保护家人和孩子。
2015年，《第一夫人》的主角娜塔丽·波特曼所饰演的杰奎琳·肯尼迪发布定妆照。《第一夫人》根据约翰·肯尼迪总统的夫人杰奎琳·肯尼迪的生平故事改编拍摄，影片聚焦杰奎琳从丈夫约翰·肯尼迪总统遇刺到葬礼这段时间发生的故事，将展现这位34岁的第一夫人最脆弱同时也是最优雅的一面。曝光的首张剧照中，波特曼一身枚红色正装站在白宫内，珍珠项链若隐若现，面容略带憔悴，从容却也难掩忧伤。
2016年，波特曼在《拿起枪的简》中饰演一位西部女人简。同年，主演《第一夫人》，影片将主要视角放在肯尼迪遇刺期间的重重谜点，同时讲述第一夫人杰奎琳面对丧夫之痛时，依然保持冷静睿智，与蠢蠢欲动的政治对手周旋的故事。
2017年，波特曼凭借《第一夫人》提名第74届金球奖、第70届英国电影学院奖、第23届美国演员工会奖、第32届独立精神奖、第89届奥斯卡最佳女主角。11月，娜塔莉·波特曼为动画新片《摇滚摄影师》配音并担任制片人。
2018年，参演的电影《约翰·多诺万的死与生》上映。2月1日，参演电影《Vox Lux》。4月13日，参演的电影《湮灭》在中国上映。6月15日，出品并担任旁白的纪录片《食用动物》在北美上映。12月7日，担任制作人并参演的电影《光之声》在美国上映，在剧中饰演Celeste。
2019年，参演的电影《天空中的露西》在北美上映。2月，凭借《光之声》、《湮灭》获“喵斯卡”(Oscat)奖最佳女演员奖。10月4日，主演的电影《天空中的露西》在北美上映，在剧中饰演Lucy Cola。
2022年，参演的电影《雷神4：爱与雷霆》在北美公映，在剧中饰演简·福斯特。
雷神4：爱与雷霆2021 饰演简·福斯特 导演塔伊加·维迪提 主演克里斯·海姆斯沃斯、泰莎·汤普森
复仇者联盟4：终局之战2019 饰演简·福斯特 导演安东尼·罗素、乔·罗素 主演小罗伯特·唐尼、克里斯·埃文斯
天空中的露西2019 饰演Lucy Cola 导演诺亚·霍利 主演乔·哈姆
湮灭2018-2-23 饰演莉娜 导演亚力克斯·嘉兰 主演詹妮弗·杰森·李
约翰·多诺万的死与生2018 饰演山姆·特纳 导演泽维尔·多兰 主演基特·哈灵顿、苏珊·萨兰登
光之声2018 饰演Celeste 导演布拉迪·科贝特 主演裘德·洛
麻木不仁的混蛋们的全盛时期2017-10-27 饰演Laura 导演Mark Columbus 主演里克·罗德里格兹
歌声不绝2017-3-17 饰演Rhonda 导演泰伦斯·马力克 主演瑞恩·高斯林
天文馆2016-11-16 饰演罗拉 导演丽贝卡·兹罗托斯基 主演莉莉-罗丝·德普
第一夫人的秘密2016-9-7 饰演杰奎琳·肯尼迪 导演帕布罗·拉雷恩 主演彼得·萨斯加德
拿起枪的简2016-1-29 饰演简·哈蒙德 导演加文·欧康诺 主演伊万·麦克格雷格
性之基础2016 饰演鲁丝·巴德·金斯伯格 导演玛丽埃尔·海勒
爱与黑暗的故事2015-9-3 饰演法妮雅 导演娜塔莉·波特曼 主演阿米尔泰斯勒
嘎嘎先生2015-7-14 导演Tomer Heymann 主演Ohad Naharin
圣杯骑士2015-03-04 饰演Elizabeth 导演泰伦斯·马力克 主演克里斯蒂安·贝尔
雷神2：黑暗世界2013-10-30 饰演简·福斯特 导演艾伦·泰勒 主演克里斯·海姆斯沃斯
海瑟2011-5-13 饰演妮可 导演斯宾塞·萨瑟 主演约瑟夫·高登-莱维特
雷神2011-05-06 饰演简·福斯特 导演肯尼思·布拉纳 主演克里斯·海姆斯沃斯
王子殿下2011-4-8 饰演伊莎贝尔 导演大卫·戈登·格林 主演詹姆斯·弗兰科
另一个女人2011-2-4 饰演艾米莉亚·格林里夫 导演唐·罗斯 主演斯科特·科恩
不求回报2011-1-21 饰演艾玛 导演伊万·雷特曼 主演艾什顿·库彻
我仍在这里2010-9-10 导演卡西·阿弗莱克 主演杰昆·菲尼克斯
黑天鹅2010-9-1 饰演妮娜 导演达伦·阿伦诺夫斯基 主演文森特·卡索
兄弟2009-12-4 饰演格蕾丝 导演吉姆·谢里丹 主演杰克·吉伦哈尔
纽约，我爱你2009-10-16 饰演Rifka 导演法提赫·阿金 主演海登·克里斯滕森
另一个波琳家的女孩2008-2-19 饰演安妮·波琳 导演贾斯汀·查德维克 主演斯嘉丽·约翰逊
马格瑞姆的玩具店2007-11-16 饰演莫莉·马奥尼 导演扎克·海尔姆 主演达斯汀·霍夫曼
穿越大吉岭2007-10-26 饰演Jack's Ex-Girlfriend 导演韦斯·安德森 主演欧文·威尔森
蓝莓之夜2007-5-16 饰演莱斯利 导演王家卫 主演诺拉·琼斯
戈雅之灵2006-11-10 饰演伊内斯 导演米洛斯·福尔曼 主演哈维尔·巴登
巴黎，我爱你2006-6-21 饰演Francine 导演奥利维耶·阿萨亚斯 主演朱丽叶·比诺什
V字仇杀队2005-12-11 饰演艾薇·哈蒙德 导演詹姆斯·麦克特格 主演雨果·维文
现场八方演唱会2005-7-2 导演Nick Hopkin 主演鲍勃·吉尔道夫
自由地带2005-06-09 饰演Rebecca 导演阿莫斯·吉泰 主演西娅姆·阿巴斯
星球大战3：西斯的复仇2005-5-19 饰演帕德梅·阿米达拉 导演乔治·卢卡斯 主演伊万·麦克格雷格
Domino One2005 饰演Dominique Bellamy
偷心2004-12-3 饰演艾丽丝 导演迈克·尼科尔斯 主演裘德·洛
摄氏41.11度2004-10-1 导演Kevin Knoblock
情归新泽西2004-8-20 饰演萨曼 导演扎克·布拉夫 主演扎克·布拉夫
冷山2004-4-30 饰演Sara 导演安东尼·明格拉 主演裘德·洛
星球大战2：克隆人的进攻2002-5-16 饰演帕德梅·阿米达拉 导演乔治·卢卡斯 主演伊万·麦克格雷格
超级名模2001 饰演Natalie Portman 导演本·斯蒂勒 主演本·斯蒂勒
甜心伊人2000-4-28 饰演Novalee Nation 导演马特·威廉姆斯 主演斯多卡德·查宁
星球大战前传1：幽灵的威胁1999-11-5 饰演帕德美·阿米达拉 导演乔治·卢卡斯 主演伊万·麦克格雷格
火星人玩转地球1996-12-13 饰演Taffy Dale 导演蒂姆·伯顿 主演杰克·尼科尔森
人人都说我爱你1996-12-06 饰演Laura 导演伍迪·艾伦 主演朱莉娅·罗伯茨
爱情尤物1996-02-09 饰演Marty 导演泰德·戴米 主演米拉·索维诺
盗火线1995-12-15 饰演劳伦·古斯塔夫森 导演迈克尔·曼 主演阿尔·帕西诺
这个杀手不太冷1994-09-14 饰演玛蒂尔达 导演吕克·贝松 主演让·雷诺
芳心天涯1999 饰演Ann August 导演王颖 主演苏珊·萨兰登 导演作品
2015年9月3日 《爱与黑暗的故事》担任主演
2008年 《纽约，我爱你》
2008年 《前夕》
2008年 《纽约，我爱你》
2015年9月3日 《爱与黑暗的故事》
2011年2月4日 《另一个女人》 担任主演
2011年5月13日 《海瑟》 担任主演
2011年1月21日 《不求回报》 担任主演
2012年 《禁忌》 电视系列剧
2015年 《第七重火》 纪录片
2015年9月3日 《爱与黑暗的故事》 担任主演
2016年1月29日 《拿起枪的简》 担任主演
2016年2月5日 《傲慢与偏见与僵尸》
2017年 《Eating Animals》 纪录片
2017年 《Foxy Trotter》 动画电影
2004年，娜塔莉·波特曼申请加入了国际社区援助基金会（FINCA），之后她便常与其他成员共赴乌干达、危地马拉等偏远地区工作。
2006年3月，娜塔莉·波特曼以客座讲师的身份，在哥伦比亚大学讲授恐怖主义与反恐怖主义的课程，并引用了她主演的电影《V字仇杀队》中的内容。
2008年，娜塔莉·波特曼为Te Casan设计了不使用动物毛皮的环保鞋子，她设计的品牌系列“The Natalie Portman Collection”，于2月在纽约开售，而该系列收入的5%将会捐给慈善团体做公益事业。此外，娜塔莉·波特曼还担任了《天桥骄子第五季》第二场比赛的环保服装设计的特邀评委。
2017 第89届最佳女主角 第一夫人 （提名）
2011-02-27 第83届最佳女主角 黑天鹅奖 （获奖）
2005 第77届最佳女配角 偷心 （提名）
2017 第74届电影类-剧情类最佳女主角 第一夫人 （提名）
2011 第68届电影类-最佳剧情片女主角奖 黑天鹅 （获奖）
2005 第62届电影类-最佳女配角奖 偷心 （获奖）
2000 第57届电影类-最佳女配角 芳心天涯 （提名）
2017 第70届最佳女主角 第一夫人 （提名）
2011 第64届最佳女主角奖 黑天鹅 （获奖）
2005 第58届最佳女配角 偷心 （提名）
2011 第20届最惊人一刻 黑天鹅 （提名）
2011 第20届最佳女演员 黑天鹅 （提名）
2011 第20届最佳吻戏 黑天鹅 （提名）
2005 第14届最佳女演员 情归新泽西 （提名）
2005 第14届最佳吻戏 情归新泽西 （提名）
2012 第38届最受欢迎喜剧片女演员 （提名）
2005 第31届最受欢迎女主角 （提名）
2011 第37届最佳女主角奖 黑天鹅 （获奖）
2010 第36届最佳女主角 兄弟 （提名）
2007 第33届最佳女主角奖 V字仇杀队 （获奖）
2006 第32届最佳女主角 星球大战前传三：西斯的复仇 （提名）
2003 第29届最佳女主角 星球大战前传二：克隆人的进攻 （提名）
2000 第26届最佳年轻演员 星球大战前传一：魅影危机 （提名）
2014 第16届最佳科幻、奇幻电影女演员 雷神2：黑暗世界 （提名）
2011 第13届最佳浪漫喜剧电影女演员 不求回报 （提名）
2011 第13届最佳剧情电影女演员 黑天鹅 （获奖）
2011 第13届最佳电影吻戏 黑天鹅 （提名）
2006 第8届最佳剧情、动作冒险电影女演员 V字仇杀队 （提名）
2005 第7届最佳电影吻戏 情归新泽西 （提名）
2005 第7届最佳电影谎话精 情归新泽西 （提名）
2005 第7届最佳剧情电影女演员 情归新泽西 （提名）
2005 第7届最佳电影浪漫戏 情归新泽西 （提名）
2005 第7届最佳动作冒险、悬疑电影女演员 星球大战前传三：西斯的复仇 （提名）
2002 第4届最佳剧情、动作冒险电影女演员 星球大战前传二：克隆人的进攻 （获奖）
2002 第4届最佳电影火花 星球大战前传二：克隆人的进攻 （提名）
2000 第2届最佳电影女演员 甜心伊人 （提名）
2016 第22届最佳女主角奖 第一夫人 （获奖）
2011 第16届最佳女主角奖 黑天鹅 （获奖）
2010 第15届最佳女主角 黑天鹅 （提名）
2005 第10届最佳女配角 偷心 （提名）
2005 第10届最佳群戏 偷心 （提名）
2017 第23届最佳女主角 第一夫人 （提名）
2011 第17届最佳女主角奖 黑天鹅 （获奖）
2011 第17届最佳群戏 黑天鹅 （提名）
2016 第21届 评委会大奖 （获奖）
2017 第28届沙漠棕榈女演员成就奖 第一夫人 （获奖）
2011 第22届沙漠棕榈女演员成就奖 黑天鹅 （获奖）
2017 第32届最佳女主角 第一夫人 （提名）
2011 第26届最佳女主角奖 黑天鹅 （获奖）
2011 最佳女主角奖 黑天鹅 （获奖）
2019 最佳女演员奖 光之声、湮灭 （获奖）
娜塔莉·波特曼的表演如同教科书一般完美。在电影《第一夫人的秘密》中，娜塔莉·波特曼用细腻、完美的演技，展现了传奇女性的外柔内刚。她不但以自己的演技在角色境遇变换中游刃有余，更让观众在观影时忘记了演员娜塔莉·波特曼本身，觉得那就是剧中的人物杰奎琳·肯尼迪。在电影结束后，最令观众难以忘记的还是娜塔莉·波特曼对这位悲剧人物的精准塑造。她不但将杰奎琳·肯尼迪在面对丧夫之痛的无奈与坚韧展现的淋漓尽致，而且呈现出了非常富有层次的表演，还有着极强的角色领悟力。（《新浪网、澎湃新闻、电影媒体IndieWIRE、《名利场》、The Daily Beast、导演帕布罗·拉雷恩评）
娜塔莉·波特曼的身上同时具备了强大的气场、出众的理解力和独特的气质。在电影《这个杀手不太冷》中，她将因过早遭遇家庭不幸而早熟的少女，诠释的出奇成熟，在表演上没有一丝一毫的生涩与扭捏。在电影《星战前传1：幽灵的威胁》中，阿米达拉女王这个角色在她的演绎下，始终保持着极佳的张力。而在电影《黑天鹅》中，舞蹈演员妮娜这个角色身上，同样渗透着她细致诠释背后，强大的情感爆发力和对角色精准的透视感。此外，娜塔莉·波特曼最大的特点是低调，而低调背后，往往是对于角色精确的理解。她不像很多演员，纯粹依靠大量的情感体验来塑造角色，而是先从冷静的分析和理解入手，所以她的诠释总是像手术刀那样鞭辟入里。她所塑造的人物，哪怕是再简单的，都是既能调动观众的情感，又能调动观众的思考，所以才可以独树一帜。（《京华时报》评）
