Наибольшую известность получила благодаря участию в фильмах «Леон» и «Близость», а также благодаря трилогии-приквелу к «Звёздным войнам». Обладательница премий «Оскар», «Золотой глобус», BAFTA и «Сатурн» в номинации «Лучшая актриса» за роль в фильме «Чёрный лебедь». Были в карьере Портман и другие заметные роли в кино, а также в театре. Так, ещё в 1990-х годах Натали сыграла главные роли в фильмах «Красивые девушки» и «Где угодно, только не здесь». А в июле 2001 года Натали сыграла в спектакле по пьесе А. П. Чехова «Чайка». Она побрила голову и училась говорить с британским акцентом для роли в «V — значит вендетта», за которую она получила премию «Сатурн» лучшей киноактрисе. Также Портман сыграла ведущие роли в исторических драмах «Призраки Гойи» и «Ещё одна из рода Болейн». В мае 2008 года она стала самым молодым членом жюри 61-го Каннского кинофестиваля. Её режиссёрский дебют, короткометражный фильм «Ева» русск., открыл конкурс короткометражек 65-го Венецианского кинофестиваля.