Натали Портман родилась в Израиле. Ее предки по материнской линии были евреями. В свое время они эмигрировали в Америку из Российской империи и Австрии. Здесь поменяли еврейскую фамилию Эдельштейн на американскую Стивенс. Предки актрисы по отцовской линии были родом из Румынии и Польши, но жили в Израиле. Дедушка занимался научной деятельностью (профессор экономики), а бабушка во время Второй мировой работала на британскую разведку.
Отец Натали Портман, как и ее дед, посвятил свою жизнь науке. Он получил медицинское образование и специализировался на лечении бесплодия. Для того чтобы повысить свою квалификацию, молодой врач вместе с семьей переезжает в Соединенные Штаты. Натали на тот момент было 3 года.
Она училась в еврейской школе, говорила на иврите. С 4-х лет занималась танцами, выступала на сцене. В 13 лет Натали сыграла свою первую роль в кино. Это был фильм «Леон» Люка Бессона. Ее партнером по фильму стал знаменитый француз Жан Рено.
Юная актриса решила сохранить в тайне свое настоящее имя. Она берет себе сценический псевдоним. Так Нета-Ли Гершлаг стала Натали Портман. Почему она выбрала именно такое имя? Нета-Ли и Натали — созвучные варианты. А Портман — это фамилия ее предков-румын.