Portman là người ăn chay kể từ thời thơ ấu và là một người vận động cho quyền động vật[33]. Cô không ăn sản phẩm từ động vật hoặc mặc áo lông thú, lông, hoặc da động vật. "Tất cả các đôi giày của tôi là từ hãng Target và Stella McCartney", cô nói[34]. Cô sẽ xuất hiện bên cạnh nữ diễn viên Elissa Sursara ở PSA PETA để hỗ trợ chiến dịch chống mặc áo lông thú tại một số điểm trong cả năm 2009[35]. Trong năm 2007, Natalie Portman đi du lịch đến Rwanda với Jack Hanna, để làm một bộ phim tài liệu có tiêu đề Gorillas on the Brink. Sau đó, tại một buổi lễ đặt tên, Portman đặt tên một gorilla con là Gukina[36] Trong năm 2007,cô tung ra thương hiệu của mình về giày dép của người ăn chay. Portman tìm hiểu của những nguyên nhân ô nhiễm môi trường kể từ thời thơ ấu, khi cô tham gia vào một bài hát về môi trường và đoàn kịch múa World Patrol Kids.Cô cũng là thành viên của phong trào Voice One[37].

Portman đã tham gia vào chiến dịch tranh cử tổng thống năm 2004 của ứng cử viên Dân chủ John Kerry và đã hỗ trợ các hoạt động chống đói nghèo. Trong năm 2004 và 2005, cô đã đi du lịch đến Uganda, Guatemala, và Ecuador, là Đại sứ của Hope for Finca International, một tổ chức khuyến khích cho vay để giúp doanh nghiệp của phụ nữ về tài chính ở các nước nghèo[38].Trong một cuộc phỏng vấn thực hiện ở hậu trường các buổi hòa nhạc Live 8 tại Philadelphia và xuất hiện trên chương trình Foreign Exchange with Fareed Zakaria, cô đã thảo luận về tài chính vi mô[39]. Trong chương trình Voices ra ngày 29 tháng 4 năm 2007, Portman thảo luận về công việc của mình với Finca và làm thế nào nó có thể có lợi phụ nữ và trẻ em ở các nước thế giới thứ ba [40]. Trong mùa thu năm 2007, Portman viếng thăm một số trường đại học, trong đó có Harvard, UCLA, UC Berkeley, Stanford, Princeton, Đại học New York, và Columbia, để truyền cảm hứng cho sinh viên về sức mạnh của tài chính vi mô và để khuyến khích họ gia nhập Village Banking Campaign để giúp đỡ các gia đình và cộng đồng thoát ra khỏi đói nghèo[41].

Nói về thế giới bên kia, cô nhận xét: "Tôi không tin vào nó, và tôi tin rằng đó là cách tốt nhất để sống..". Cô đã nói rằng cô thấy nhiều người Do Thái ở Israel và rằng cô muốn con theo tôn giáo của người Do Thái[42].Trong cuộc bầu cử sơ bộ Đảng Dân chủ 2008, Portman ủng hộ Thượng nghị sĩ Hillary Clinton cho chức tổng thống, nhưng nói rằng cô ấy cũng thích Obama."Tôi thậm chí ủng hộ cả John McCain."[43] Cô sau đó vận động tranh cử cho Obama trong cuộc tổng tuyển cử.[44]

Trong số tháng 5 năm 2002 của Vogue, Portman gọi diễn viên / nhạc sĩ Lukas Haas và nhạc sĩ Moby là bạn thân của mình.[45] Sau khi là diễn viên chính trong đoạn video cho ca khúc "Carmensita", cô đã bắt đầu một mối quan hệ với ca sĩ nhạc dân gian người Venezuela Devendra Banhart.Mối quan hệ này kết thúc vào tháng 9 năm 2008.[46]

Portman bắt đầu hẹn hò với vũ công ballet người Pháp Benjamin Millepied vào năm 2009. Cặp đôi này gặp nhau trong khi cô đóng phim Black Swan, anh tham gia với vai trò biên đạo múa. Vào tháng 12 năm 2010, Portman tuyên bố đính hôn và xác nhận mang thai. Portman và Millepied kết hôn trong một buổi lễ Do Thái tại Big Sur, California vào ngày 4 tháng 8 năm 2012. Họ có hai con: con trai Aleph (sinh tháng 6 năm 2011) [138] và con gái Amalia (sinh tháng 2 năm 2017). Vào tháng 1 năm 2013, Paris Opera Ballet đã thông báo rằng Millepied đã chấp nhận vai trò đạo diễn của đoàn, bắt đầu từ tháng 9 năm 2014. Cặp đôi này sau đó đã công bố kế hoạch di dời đến Paris. Portman nói rằng cô muốn trở thành một công dân Pháp. Năm 2016, gia đình trở về Los Angeles từ Paris.