13岁时，她出演《这个杀手不太冷》的女主角，开始了一边读书一边拍戏的生涯。1999年，波特曼以《芳心天涯》片中安·奥格斯特一角获得金球奖最佳女配角的提名。1999年，成年后的她凭借《星球大战》三部曲帕德梅·阿米达拉（Padmé Amidala）女王一角为大众熟知，之后，波特曼进入哈佛大学攻读心理学。2011年，娜塔莉·波特曼凭借电影《黑天鹅》里人格分裂的芭蕾舞者角色，获得了奥斯卡最佳女主角奖  ；同年5月8日，她主演的《雷神》在中国上映。2013年的11月8日，娜塔莉·波特曼出演的《雷神2：黑暗世界》在美国上映。