Nació el 9 de junio de 1981 en Jerusalem.
Hija única de Shelley Stevens, ama de casa estadounidense, y de Avner Hershlag, un ginecólogo israelí. Sus abuelos maternos eran judíos inmigrantes de Austria y Rusia; sus abuelos paternos, también judios, también emigraron a Israel. Su abuela paterna, Mania, de Rumania, tenía el apellido de soltera "Portman".
En 1984, cuando tenía tres años, la familia se mudó a los Estados Unidos. Tiene doble nacionalidad, israelí y estadounidense. Portman y su familia vivieron primero en Washington, DC, en 1988 se trasladaron a Connecticut, y después a Jericho, Long Island, Nueva York, en 1990.
En Washington, asistió a la judía Charles E. Smith Day School. Aprendió hebreo, y mientras vivía en Long Island, asistió a la Day School Salomón Schechter. Se graduó en la Syosset High School, en Syosset, Long Island en 1999. Estudió ballet y danza moderna en el American Theater Dance Workshop, en New Hyde Park, Nueva York, y asistió al Centro Usdan Creative y la Performing Arts en Wheatley Heights. En 2003, se graduó de la Universidad de Harvard con un AB licenciatura en Psicología. Regresó a Israel y tomó cursos de posgrado en la Universidad Hebrea de Jerusalén, en la primavera de 2004. En marzo de 2006, fue profesor invitado en la Universidad de Columbia. Ha demás a estudiado el idioma francés, japonés, alemán, y árabe.
Trabajó como modelo tras ser descubierta mientras comía en una pizzería.
Hizo su debut en el cine de la mano de , con "El profesional" (1994). Posteriormente siguió con pequeños papeles en "Heat", "Todos dicen I Love You" y destacó en "Beautiful Girls". Le llegó la fama gracias a la saga "Star Wars". Su papel en "La Amenaza Fantasma" y sus secuelas, como la Reina Amidala, le dieron un fuerte impulso a su carrera. En 2005, por su actuación en "Closer" fue candidata a un Globo de Oro a la mejor actriz de reparto y nominada al Óscar en la misma categoría.
En mayo de 2008 fue miembro del jurado de la 61ª edición del Festival de Cannes y hace su debut como directora con el cortometraje "Eve", estrenado en la 65ª edición del Festival Internacional de Cine de Venecia.
En febrero de 2011 fue ganadora de un premio Óscar a la mejor actriz por su interpretación en "Black Swan", además de recibir por la misma película un Globo de Oro, un Premio del Sindicato de Actores y un premio BAFTA.
Se ha relacionado con los actores Lukas Haas, y Liron Levo, con el modeloNathan Bogle, y el cantante Devendra Banhart. En diciembre de 2010 se anuncia que estaba comprometida con el coreógrafo Benjamin Millepied, a quien conoció durante el rodaje de Black Swan. Fueron padres el 14 de junio de 2011 de Aleph.
Decidieron darse el sí quiero y celebraron su boda en la más absoluta intimidad el 4 de agosto de 2012 en una ceremonia judía en una residencia privada cerca de Big Sur (California).
