Mặc dù cô nói gia đình cô không theo tôn giáo,[6] Portman đã học một trường tiểu học Do Thái, Solomon Schechter Day School của Glen Cove, New York. Cô đã tốt nghiệp từ một trường trung học công lập, Syosset High School. Portman bỏ qua lễ ra mắt của Star Wars: Episode I vì vậy cô có thể học tập cho kỳ thi cuối cùng tốt nghiệp trung học.[7]

Tháng Sáu 2003, Portman tốt nghiệp Đại học Harvard với bằng cử nhân về tâm lý học. Tại Harvard, Portman là trợ lý nghiên cứu của Alan Dershowitz (Ông đã cảm ơn cô trong cuốn sách The Case for Israel của mình) tại một phòng thí nghiệm tâm lý học. Trong khi theo học Đại học Harvard, cô ở Lowell House[8] và đã viết một lá thư đến Crimson Harvard để phản đối một tiểu luận chống Israel.[9]

Portman đã tốt nghiệp các khóa học tại Đại học Hebrew của Jerusalem vào mùa xuân năm 2004[6]. Trong tháng 3 năm 2006, cô xuất hiện như là một giảng viên thỉnh giảng tại một khóa học tại Đại học Columbia về chủ nghĩa khủng bố và chủ nghĩa chống khủng bố, nơi cô nói về bộ phim của cô V for Vendetta.[10]

Ngoài việc thành thạo tiếng Do Thái[11] và tiếng Anh, Portman còn học tiếng Pháp[12], tiếng Nhật[12], Tiếng Đức[13] và tiếng Ả Rập.[14]

Khi là sinh viên, Portman là đồng tác giả hai tài liệu nghiên cứu được công bố trên các tạp chí khoa học. Bài viết năm 1998 khi cô là học sinh về "Một phương pháp đơn giản để chứng minh việc sản xuất enzyme của hiđrô từ đường" đã được đăng ở Intel Science Talent Search.[15] Năm 2002, cô đã đóng góp cho một nghiên cứu về bộ nhớ được gọi là "Frontal Lobe Activation During Object Permanence" trong quá trình nghiên cứu về tâm lý học của mình tại Harvard.[16]