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。