Natalie Portman nació en Jerusalén, Israel. Su padre, Avner Hershlag, es un médico especialista en fertilidad, y su madre, Shelley Hershlag (nacida Stevens), es un ama de casa estadounidense que trabaja como su agente artística.

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En 1984, cuando Portman tenía tres años de edad, se trasladó con su familia a los Estados Unidos, donde su padre continuó su carrera de Medicina.Tiene doble nacionalidad, es israelí y estadounidense.

El apellido Portman proviene del apellido su abuela cuando era soltera, pues sus padres decidieron que era más comercial de cara a la carrera artística de la pequeña Natalie.

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De antepasados judíos tanto por parte de madre como de padre: Sus bisabuelos maternos murieron en Auschwitz y su bisabuela fue espía para el Servicio de Inteligencia Británico durante la Segunda Guerra Mundial.

Natalie Portman siempre ha dado prioridad a sus estudios y ha compaginando los rodajes en su tiempo libre. Su debut tras las cámaras vino de la mano de Luc Besson en Leon, el profesional la cual fue rodada durante sus vacaciones escolares, haciendo lo mismo en películas posteriores.

Es vegetariana desde los 14 años por propia voluntad y no tiene ningún tipo de adicción (no fuma ni bebe) y su único vicio admitido por ella misma, es el chocolate.

Además de ser actriz, Natalie Portman es autora de diversos artículos periodísticos y dirige una asociación de préstamos para países en vías de desarrollo.

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Se ha caracterizado siempre por ser muy estudiosa e inquieta intelectualmente. Tiene un doctorado en Psicología de la Universidad de Harvard, de donde egresó con honores.

En 2004 tomó cursos de postgrado en la Universidad Hebrea de Jerusalén.29 En marzo de 2006 fue invitada como conferenciante a un curso sobre el terrorismo y el contraterrorismo en la Universidad de Columbia.

Desde su infancia demostró interés en aprender otros idiomas y ha estudiado francés, japonés, alemán, hebreo y árabe. Además también habla un poco de español.

Casada desde 2012 con el coreógrafo francés Benjamin Milepied – a quien conoció durante el rodaje de Black Swan – es madre de un hijo, Aleph.

En 2005, por su actuación en el drama Closer fue acreedora de un Globo de Oro a la mejor actriz de reparto y fue nominada a un premio Óscar en la misma categoría.

En 2011 por su interpretación protagonista en Black Swan fue ganadora de un premio Óscar a la mejor actriz, un Globo de Oro a la mejor actriz en un drama, un Premio del Sindicato de Actores a la mejor actriz protagonista y un premio BAFTA a la mejor actriz.