1994年，她參加試鏡爭取呂克·貝松的電影《這個殺手不太冷》中，與一名中年職業殺手成為朋友的小孩一角，并成功獲選。為保護隱私，波特曼隨后以她祖母的娘家姓“波特曼”取作藝名，但在該片DVD所收錄的導演剪輯版中，她屬名為娜塔莉·赫許勒。《這個殺手不太冷》于1994年11月18日上映時，波特曼年僅十三歲。同年她演出了短片《Developing》，該短片于電視播出。

　　1995年，波特曼接連演出了《盜火線》、《大家都說我愛你》及《火星人玩轉地球》等片，也在電影《美麗佳人》中擔任主角 ?。

　　1997年，波特曼推掉了《洛麗塔》和《羅密歐與朱麗葉》的片約而去參演舞臺劇《安妮日記》 ?，飾演安妮·法蘭克。她起初因電影《管到太平洋》中有全裸戲而推辭了的邀約，但在導演王穎與演員蘇珊·莎蘭登要求修改劇情后，加入了該片的演出陣容。該片于1999年末上映，波特曼以片中安·奧格斯特一角獲得金球獎最佳女配角提名。

　　1998年，波特曼主演了《星球大戰前傳三部曲》 ?中帕德梅·阿米達拉（Padmé Amidala）一角。《星球大戰：幽靈的威脅》于1999年初上映。波特曼隨后與《女孩第一名》劇組簽約，在片中領銜演出堅毅的年輕媽媽。在完成拍攝《女孩第一名》后，波特曼搬進了哈佛大學宿舍，專心攻讀心理學學士。就讀哈佛期間，波特曼擔任過政治評論員的助手，展現對社會議題的關心。她曾投稿至哈佛的學生報，回應一篇反以色列的文章。 ?

　　在2000年6月至9月的暑假期間，波特曼在雪梨拍攝《星球大戰II：克隆人的進攻》，并于倫敦進行周邊制作。

　　2001年7月，波特曼加入了麥克·尼克斯導演、紐約公共劇院制作的契訶夫的戲劇《海鷗》，在其中飾演妮娜一角，與梅麗爾·斯特里普、凱文·克萊恩、菲利普·西摩·霍夫曼等人同臺對戲。該戲劇于中央公園的戴拉寇特劇院開幕演出。同年，波特曼與眾多明星一同于電影《超級名模》中客串演出。波特曼也在電影《冷山》中與裘德·洛及尼科爾·基德曼同臺，扮演小角色 。

　　2003年6月，波特曼取得了哈佛心理學學士學位 ?。

　　2004年春天，她又回到故鄉耶路撒冷，在希伯來大學進行研究生課程。

　　2006年3月，她以客座講師身份在哥倫比亞大學講授恐怖主義與反恐怖主義的課程，還引用了自己主演的電影《V字仇殺隊》中的內容。 ?

　　2008年5月，未滿27歲的娜塔莉·波特曼受邀成為戛納電影節評委。除了評審，她還帶來了自己導演的短片，收錄在短篇集《紐約，我愛你》之中，并拉來斯嘉麗·約翰遜加盟 ?。同年9月，她帶著她的導演處女作、21分鐘短片《前夕》參加威尼斯電影節展映 ?。這一年她獲得tccandler評選的全球最美臉蛋第一名。 ?

　　2010年，她主演的《黑天鵝》上映 ?，影片使她獲得第83屆奧斯卡最佳女主角獎 ?。同年，她還參演了大衛·戈登·格林執導的《王子殿下》 ?和斯賓塞·薩瑟執導的另類文藝片《海瑟》 ?。

　　2011年5月8日，她主演的《雷神》在中國上映。 ?

　　2012年7月16日，娜塔莉·波特曼現身《圣杯騎士》拍攝現場，影片于2013年上映 ?。同年12月25日，美國《福布斯》公布了2012年好萊塢“最具性價比”演員榜單，娜塔麗·波特曼位列榜首，成為年度投資回報率最高的演員 ?。

　　2013年的11月8日，娜塔莉·波特曼出演的《雷神2：黑暗世界》在美國上映 ?。

　　2015年5月，娜塔莉·波特曼確認在《性之基礎》（On The Basis Of Sex）中飾演美國大法官魯絲·巴德·金斯伯格 ?。8月21日，娜塔麗·波特曼在《福布斯》公布的2015全球最高薪女星排行榜中，以年收入600萬美元，排第18名。 ?

　　2016年，主演《第一夫人》，影片將主要視角放在肯尼迪遇刺期間的重重謎點，同時講述第一夫人杰奎琳面對喪夫之痛時，依然保持冷靜睿智，與蠢蠢欲動的政治對手周旋的故事 ?。

　　1981年，波特曼出生于以色列耶路撒冷，她的原名叫娜塔莉·赫許勒。

　　1984年，三歲的波特曼和家人一起搬到美國，她的父親在當地接受醫療訓練。波特曼自4歲起開始學習舞蹈，并在當地舞團里表演，這段經歷讓她在之后主演《黑天鵝》中的芭蕾舞演員變得輕松。

　　1991年，十歲的波特曼拒絕了做兒童模特的邀請，全心投入表演。 ?