Portman nació en Jerusalén, Israel.Su padre, Avner Hershlag, es un médico especialista en fertilidad, y su madre, Shelley Hershlag (nacida Stevens), es un ama de casa estadounidense que trabaja como su agente artística. Sus antepasados maternos fueron inmigrantes judíos deRusia y Austria, y sus antepasados paternos, judíos que se trasladaron a Israel desde Polonia yMoldavia. Su abuelo materno, quien perdió a sus padres en Auschwitz, fue profesor de economía en Israel, y su bisabuela, originaria de Moldavia, sirvió como espía para el Servicio de Inteligencia Británicodurante la Segunda Guerra Mundial. Los padres de Portman se conocieron en el centro de estudios judaicos de la Universidad Estatal de Ohio. Intercambiaron correspondencia después de que su padre retornara a Israel y años más tarde, cuando su madre fue de visita, contrajeron matrimonio. En 1984, cuando Portman tenía tres años de edad, se trasladó con su familia a los Estados Unidos, donde su padre continuó su carrera de Medicina. Tiene doble nacionalidad, es israelí y estadounidense, y ha declarado que a pesar de que «amo verdaderamente a los Estados Unidos [...] mi corazón está en Jerusalén. Es allí en donde me siento en casa». Los primeros años la familia vivió en Washington, D.C., ciudad en la que Portman asistió a la escuela Charles E. Smith Jewish Day School. Sin embargo en 1988 se trasladaron a Connecticut y en 1990 se establecieron en Long Island, Nueva York. La actriz aprendió hebreo e inglés y estudió en una escuela primaria judía llamada Solomon Schechter Day School en Glen Cove, Nueva York. Recibió su educación secundaria en la preparatoria Syosset High School en Syosset, Long Island y se graduó en 1999. De hecho, no pudo asistir al estreno de Star Wars: Episode I porque tenía que estudiar para los exámenes finales de su escuela secundaria.