Natalie Portman tên khai sinh là Natalie Hershlag (tiếng Hebrew: נטלי הרשלג) sinh tại Jerusalem, Israel.[1][2] Cha cô, Avner Hershlag, là một bác sĩ Israel chuyên về lĩnh vực sinh sản (sinh sản nội tiết học).[3][4] Mẹ cô, Shelley Stevens, là một nội trợ người Mỹ, nay làm trợ lý cho cô.Tổ tiên cô là người Do Thái từ Áo và Nga và ông cha cô đã di cư đến Israel từ Ba Lan và Rumani. Cụ cố của cô qua đời tại Auschwitz và cụ bà người Rumani là một gián điệp cho Anh trong Thế chiến II.

Cha mẹ cô gặp nhau tại một trung tâm sinh viên Do Thái tại Đại học bang Ohio, nơi mẹ cô bán vé. Cha cô trở về Israel, và hai người trao đổi thư từ và đã lập gia đình khi mẹ cô viếng thăm Israel một vài năm sau đó. Năm 1984, khi Portman đã được ba tuổi, gia đình chuyển đến Mỹ, nơi cha cô được đào tạo y tế. Gia đình cô đầu tiên sống ở Washington, DC, nơi Portman đã học tại Charles E. Smith Jewish Day School, nhưng di dời đến Connecticut năm 1988, và sau đó định cư vĩnh viễn tại Long Island, New York, vào năm 1990.[5] Portman đã nói rằng mặc dù cô "thực sự yêu nước Mỹ... trái tim của tôi ở Jerusalem. Đó là nơi mà tôi cảm thấy như ở nhà..". Cô là con một và rất gần gũi với cha mẹ mình, người thường xem với cô ấy lúc phim của cô chiếu ra mắt.