1981年,波特曼出生在以色列的一个犹太家庭,是家中的独生女。
她4岁起开始学习舞蹈,并在当地舞团里表演,这段经历令她在《黑天鹅》中扮演一名芭蕾舞演员时显得得心应手。
10岁时,有经纪人邀请她担任儿童模特,但被她婉拒,因为她要全心投入表演。
在电影史上的所有童星中,波特曼非常特别,她不像秀兰邓波儿那般以欢乐的歌舞取悦观众,也不像《哈利波特》中的赫敏艾玛沃特森那样走乖女孩路线,她以早熟、镇静甚至是冷酷征服了观众。
多年后,波特曼回忆童年时说:我一直都想快点长大,希望我的言行举止能像大人一样。
波特曼曾经和小甜甜布兰妮同为一部音乐剧的主演候补。1994年,经纪公司将她推荐给吕克贝松的电影《这个杀手不太冷》。
波特曼曾在接受《纽约时报》采访时回忆起那段经历:我坐在父亲书房的凳子上第一次读杀手的剧本,那时我还只是个小孩,很情绪化,读着读着就想哭。
父亲说,对一个小孩而言,表演这部影片完全不合适,你不能出演!
我说,这是我读过的最好的东西,你不能毁了我的一生。
父母终于同意让她去试镜。
起初,娜塔莉由于年龄太小而落选,她不甘心,回到镜头前又加演了一段。
吕克被这小女孩的悟性征服了,当场拍板、起用她。
就这样,《这个杀手不太冷》成了娜塔莉波特曼的电影处女作,并让她一炮而红。
娜塔莉波特曼是好莱坞童星当中少有的不因过早成名而放弃学业的好学生。
在《纽约时报》的一篇报道中提到,波特曼有着优异的科研才能,她在纽约长岛的索易特高中读书期间,曾参加了当地高中生十分热衷的寻找英特尔科学天才比赛。
这项已有69年历史的比赛被认为是美国难度最高的高中生科学竞赛,历届获奖选手中有7人获得诺贝尔奖。
当年,她凭借一篇名为演示糖的氧气酶制法的简易方法的论文杀入该项比赛的半决赛。
在整个高中时期,其成绩单上几乎全是A。
1999年,波特曼得到了在《星球大战前传》系列电影中饰演阿美达娜女王的机会,同时,一份哈佛大学心理学系的录取通知书也放在了她面前。
波特曼选择了两者兼得,她前往哈佛大学心理学系研究神经科学和意识演化,同时参演星战,但推掉了其他所有演艺活动。
波特曼在哈佛的导师、神经心理学教授阿兰德肖维兹说,波特曼是一名非常优秀的学生,她关于测谎的毕业论文得了A+,又作为助教继续做了一段时间研究。