W wieku 11 lat została zauważona przez agenta koncernu Revlon, który proponował jej pracę modelki dziecięcej. Portman odrzuciła propozycję, lecz wykorzystała okazję, by pozyskać agenta aktorskiego. Niedługo później zadebiutowała w, z czasem kultowym, filmie Luca Bessona Leon zawodowiec (1994). By chronić prywatność, przyjęła nazwisko Portman, które było panieńskim nazwiskiem jej babki od strony ojca.
Wzięła udział w przesłuchaniach do głównej roli żeńskiej w filmie Baza Luhrmanna Romeo i Julia (William Shakespeare’s Romeo and Juliet, 1996), uwspółcześnionej ekranizacji powieści Williama Szekspira. W 2003 ukończyła studia licencjackie z psychologii na Uniwersytecie Harvarda. Zasiadała w jury konkursu głównego na 61. MFF w Cannes (2008). Za główną rolę w filmie Czarny łabędź (2010) otrzymała Oscara oraz Złoty Glob.
Życie prywatne 4 sierpnia 2012 poślubiła choreografa Benjamina Millepieda, z którym ma syna Alepha (ur. 2011) i córkę Amalię (ur. 2017). Rozwiedli się w 2024 roku.
Portman ma podwójne, amerykańsko-izraelskie obywatelstwo.