Natalie Portman ble født i Jerusalem i Israel, fødenavn på (Neta-Lee Hershlag). Hun er eneste barn av Shelley (født Stevens), en amerikansk husmor som jobber som Portmans agent, og Avner Hershlag, en israelsk statsborger som er gynekolog og spesialist på fruktbarhet. Morens forfedre var jødiske immigranter til USA (fra Østerrike og Russland). Familien hadde skiftet etternavn fra «Edelstein» til «Stevens».