Portman ist das einzige Kind ihres israelischen Vaters, des Arztes Avner Hershlag, und ihrer jüdischen[1] US-amerikanischen Mutter, geborene Shelley Stevens, die ihre Agentin wurde. Ihre jüdischen Großeltern wanderten in den 1930er-Jahren aus Europa nach Palästina aus. Ihre Urgroßeltern wurden in das KZ Auschwitz deportiert. Nachdem ihr Vater eine Anstellung in den USA gefunden hatte, zogen die Eltern mit der dreijährigen Tochter nach Maryland. In den folgenden Jahren wechselte die Familie, bedingt durch den Beruf des Vaters, mehrmals den Wohnort, unter anderem lebte sie in Washington (D.C.), New Haven und New York, wo Portman im Viertel SoHo, einem Stadtteil von Manhattan, eine Wohnung besitzt. Seit ihrem achten Lebensjahr ist Portman Vegetarierin (seit 2009 ernährt sie sich vegan, was sie lediglich für die Zeit ihrer Schwangerschaft aufgab[3]). Aufgrund ihrer zweisprachigen Erziehung spricht sie fließend englisch und neuhebräisch, außerdem französisch, spanisch, deutsch, japanisch und arabisch.