娜塔莉·波特曼出生於1981年，13歲時就飾演了《這個殺手不太冷》中的小女孩瑪蒂爾達，然而出道即巔峰的她卻因不想再飾演帶有蘿莉色彩的角色，接連拒絕了《洛麗塔》等片的邀約。此後，娜塔莉·波特曼在《星球大戰》、《V字仇殺隊》、《黑天鵝》和《湮滅》等不同類型的影片中不斷挑戰自己，並憑藉《黑天鵝》獲得了第83屆奧斯卡金像獎的最佳女主角。
1994年，13歲的娜塔莉·波特曼參加了《這個殺手不太冷》試鏡並成功獲選。她在片中飾演全家被殺害的小女孩瑪蒂爾達。本片導演呂克·貝松在評價娜塔莉·波特曼時稱：「她擁有少女的天真和成人的世故。」
1999年，《星球大戰前傳1：幽靈的威脅》上映，本片由由喬治·盧卡斯執導，伊萬·麥克格雷格、娜塔莉·波特曼、傑克·洛伊德、連姆·尼森、塞繆爾·傑克遜等聯合主演，娜塔莉·波特曼在片中飾演納布星球的女王帕德美·阿米達拉。
2000年，娜塔莉·波特曼主演的《芳心何處》上映，故事講述了娜塔莉·波特曼飾演的未成年懷孕少女在被男友拋棄後收穫成長的故事。
2005年，娜塔莉·波特曼主演了《V字仇殺隊》，片中她飾演的艾薇在和雨果·維文飾演的V逐漸接觸後，了解了自己的身世並加入了「V字仇殺隊」。
同年，她還與哈維爾·巴登、斯特蘭·斯卡斯加德等合作主演傳記了電影《戈雅之靈》，在片中飾演年輕美麗的模特伊內斯。
由達倫·阿倫諾夫斯基執導《黑天鵝》於2010上映，娜塔莉·波特曼在片中飾演紐約的芭蕾舞演員妮娜，她憑藉片中表演獲得了第83屆奧斯卡金像獎的最佳女主角。
繼《雷神》後，娜塔莉·波特曼在《雷神2：黑暗世界》中再次飾演雷神在地球的女友簡·福斯特，本片於2013年上映。
2016年，娜塔莉·波特曼在傳記電影《第一夫人》中飾演美國前「第一夫人」傑奎琳·甘迺迪，本片聚焦於她人生的四個日夜——從丈夫約翰·甘迺迪總統遇刺到葬禮這段時間發生的故事。娜塔莉·波特曼也憑藉此片獲得了第89屆奧斯卡金像獎最佳女主角的提名。
2016年，《拿起槍的簡》上映，娜塔莉·波特曼與伊萬·麥克格雷格、喬爾·埃哲頓、諾亞·艾默里奇聯袂主演。片中娜塔莉·波特曼飾演的簡為了保護自己的丈夫不被人追殺，不得不求助於前男友的幫忙。
2018年，娜塔莉·波特曼主演了科幻驚悚片《湮滅》，本片由由亞力克斯·嘉蘭執導，根據傑夫·范德米爾所著的小說《遺落的南境·湮滅》改編。本片講述了生物學家莉娜為調查丈夫曾經的遭遇，自願加入了科學考察探險小隊，去研究美國一塊領土被檢疫隔離的生態災害區域的故事。
