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...
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