Née à Jérusalem, Natalie Portman est la fille unique d'un médecin et d'une artiste. Elle quitte Israël à l'âge de 3 ans, et s'installe avec ses parents à Washington, puis à Long Island près de New York. C'est là qu'un agent la repère et espère la diriger vers une carrière de mannequin.
Mais c'est finalement en direction du cinéma qu'elle se tourne en interprétant à l'âge de 12 ans le rôle principal féminin de Léon de Luc Besson, tourné à Manhattan en 1993, et où elle donne la réplique à Jean Reno et Gary Oldman.
Le film obtient le succès que l'on sait, et la presse consacre déjà cette toute jeune actrice qui s'affirme déjà dans ses choix : elle est la belle-fille d'Al Pacino dans l'excellent polar Heat (1995) de Michael Mann, la fille du couple présidentiel Jack Nicholson-Glenn Close dans Mars Attack ! (1996), une satire de Tim Burton basé sur l'éternel thème de l'invasion extra-terrestre. Elle rejoint ensuite le casting prestigieux de la comédie musicale Tout le monde dit I love you de Woody Allen, aux côtés, entre autres, de Julia Roberts, Goldie Hawn, Tim Roth et Edward Norton.
On la voit également dans Beautiful girl de Ted Hemme, dans lequel elle est une adolescente qui vient semer le trouble entre un homme d'âge mûr interprété par Timothy Hutton, et sa concubine. A contrario son exigence lui fait refuser le rôle de Lolita de Nabokov, dans une nouvelle version mis en scène par Adrian Lyne, celui de Juliette dans Romeo + Juliette de l'australien Baz Luhrman et le The Ice Storm de Ang Lee, au profit de Christina Ricci.
Ses refus se justifient essentiellement par un désir de se produire au théâtre, où elle apparaît dans des pièces comme Fiorello, Annie get your Gun, mais surtout dans le rôle titre du Journal d'Anne Frank, pièce qu'elle interprète à Broadway de décembre 1997 à mai 1998. Pour son retour au grand écran, elle décroche le rôle très prisé de la reine Amidala, souveraine entièrement dévouée à son peuple, et future génitrice de Luke Skywalker et de la Princesse Leïa, dans le 1er épisode de la nouvelle trilogie de Star war La menace fantôme (1999) mis en scène par Georges Lucas.
Le film cartonne au box -office et à ce jour, il s'agit de son personnage le plus célèbre du fait de la popularité mythique de Star Wars. Elle revient, la même année, à des rôles plus conventionnels. Elle joue notamment la fille de Susan Sarandon dans le film Ma mère, moi et ma mère de Wayne Wang.
Après une incursion dans le mode comique avec Zoolander de Ben Stiller, Natalie Portman redevient Amidala pour Star War Episode II : l'attaque des clones (2002), qui retrace principalement l'histoire d'amour liant la reine à Anakin-Dark Vador.
Puis en 2004 elle est Sara dans le dernier film de Anthony Minghella Retour à Cold Mountain, une fermière esseulée durant la Guerre de Sécession. Suivent le premier film de Zach Braff, Garden State, Free zone d'Amos Gitai et le dernier opus de la nouvelle trilogie Star Wars, la revanche des Sith, où la génèse et dernier épisode d'une formidable aventure cinématographique.
Elle a décroché l'un de ses rôles les plus intéressants dans le Closer de Mike Nichols en faisant éclater sa féminité au visage d'un Clive Owen médusé, avant d'apparaître à l'affiche de V pour Vendetta de James Mc Teigue.
En 2007 elle incarne une joueuse de poker paumée aux côtés de Norah Jones dans My blueberry nights de Wong-Kar Waï, présenté en compétition au festival de Cannes. En 2008, c'est face à Dustin Hoffman qu'elle incarne une jeune fille timide qui hérite d'un magasin de jouets magique, puis Eric Bana se retrouve partagé entre elle et Scarlett Johansson dans Deux soeurs pour un roi.
En 2008, elle est membre du jury du 61ème festival de Cannes et joue dans le film de Wes Anderson, A bord du Darjeeling limited. On la retrouve début 2010 dan sle drame Brothers de Jim Sheridan, aux côtés de Tobey Maguire et Jake Gyllenhaal.
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