Natalie Portman tên khai sinh là Natalie Hershlag, sinh tại Jerusalem, Israel. Cha cô, Avner Hershlag, là một bác sĩ Israel chuyên về lĩnh vực sinh sản (sinh sản nội tiết học). Mẹ cô, Shelley Stevens, là một nội trợ người Mỹ, sau đó bà chuyển sang làm trợ lý cho cô. Năm 1984, khi Portman 3 tuổi, gia đình chuyển đến Mỹ, nơi cha cô được đào tạo y tế.
Thuở nhỏ, Natalie Portman theo học tại một trường tiểu học Do Thái, Solomon Schechter Day School của Glen Cove, New York. Sau đó, cô theo học trường trung học công lập Syosset High School. Từ năm 1999 - 2003, người đẹp Thiên Nga Đen theo học khoa Tâm lý tại Đại học Harvard - ngôi trường đại học top đầu của Mỹ và thế giới. Không cần nói quá nhiều, danh tiếng, chất lượng đào tạo của Đại học Harvard là điều mà ai cũng biết tới. Natalie Portman phải học tập thật sự xuất sắc mới có thể theo học và tốt nghiệp ngôi trường này.
Được biết, trong quá trình theo học tại Đại học Harvard, Natalie Portman là trợ lý nghiên cứu của Alan Dershowitz tại một phòng thí nghiệm tâm lý học. Ông Dershowitz đã cảm ơn cô trong cuốn sách The Case for Israel của mình. Natalie Portman là đồng tác giả hai tài liệu nghiên cứu được công bố trên các tạp chí khoa học. Một bài viết vào năm 1998 với chủ đề liên quan đến việc sản xuất enzyme và một bài viết khác vào năm 2002, với chủ đề nghiên cứu về bộ nhớ.
Cũng trong khoảng thời gian này, Natalie Portman đã viết một lá thư đến Crimson Harvard để phản đối một tiểu luận chống Israel.
Ngoài tấm bằng Tâm lý học tại Đại học Harvard, Natalie Portman còn sở hữu thêm một tấm bằng tại Đại học Hebrew của Jerusalem. Được biết, cô tốt nghiệp trường này vào mùa xuân năm 2004. Trong tháng 3/2006, cô là giảng viên thỉnh giảng một khóa học tại Đại học Columbia về chủ nghĩa khủng bố và chống khủng bố.
Ngoài việc thành thạo tiếng Do Thái và tiếng Anh, Natalie Portman còn học tiếng Pháp, tiếng Nhật, Tiếng Đức và tiếng Ả Rập. Như vậy, cô nói được đến 6 thứ tiếng. Được biết, chỉ số IQ của nữ diễn viên tài năng này lên tới 140.