Natalie Portman ble født Natalie Hershlag 9. juni 1981 i Jerusalem. Moren er Shelley Stevens og faren er Avner Hershlag. Portmans familie er jøder som utvandret fra Polen, Romania, Østerrike og Russland. Hun vokste opp med en far som var lege og en mor som var husmor; moren ble senere Natalie Portmans agent. I 2010 ble Portman forlovet med den franske koreografen Benjamin Millepied, som hun møtte under innspillingen av , og i juni 2011 ble de foreldre til en gutt de ga navnet Aleph.