1994年，她参加试镜争取吕克・贝松的电影《
这个杀手不太冷》
中，与一名中年职业杀手成为朋友的小孩一角，并成功获选。为保护隐私，波特曼随后以她祖母的娘家姓“波特曼”取作艺名，但在该片DVD所收录的导演剪辑版中，她属名为娜塔莉・赫许勒。《这个杀手不太冷》于1994年11月18日上映时，波特曼年仅十三岁。同年她演出了短片《Developing》，该短片于电视播出。
1995年，波特曼接连演出了《
盗火线》、《大家都说我爱你》及《
火星人玩转地球》等片，也在电影《美丽佳人》中担任主角。
1997年，波特曼推掉了《
洛丽塔》和《
罗密欧与朱丽叶》的片约而去参演舞台剧《
安妮日记》，饰演安妮・法兰克。她起初因电影《管到太平洋》中有全裸戏而推辞了的邀约，但在导演王颖与演员苏珊・莎兰登要求修改剧情后，加入了该片的演出阵容。该片于1999年末上映，波特曼以片中安・奥格斯特一角获得金球奖最佳女配角提名。
1998年，波特曼主演了《星球大战前传三部曲》中帕德梅・艾米达拉一角。《星球大战：幽灵的威胁》于1999年初上映。波特曼随后与《女孩第一名》剧组签约，在片中领衔演出坚毅的年轻妈妈。在完成拍摄《女孩第一名》后，波特曼搬进了哈佛大学宿舍，专心攻读心理学学士。就读哈佛期间，波特曼担任过政治评论员的助手，展现对社会议题的关心。她曾投稿至哈佛的学生报，回应一篇反以色列的文章。
在2000年6月至9月的暑假期间，波特曼在雪梨拍摄《星球大战II：克隆人的进攻》，并于伦敦进行周边制作。
2001年7月，波特曼加入了麦克・尼克斯导演、纽约公共剧院制作的契诃夫的戏剧《
海鸥》，在其中饰演妮娜一角，与梅丽尔・斯特里普、凯文・克莱恩、菲利普・西摩・霍夫曼等人同台对戏。该戏剧于中央公园的戴拉寇特剧院开幕演出。同年，波特曼与众多明星一同于电影《
超级名模》中客串演出。波特曼也在电影《
冷山》中与裘德・洛及尼科尔・基德曼同台，扮演小角色。
2003年6月，波特曼取得了哈佛心理学学士学位。
2004年春天，她又回到故乡耶路撒冷，在希伯来大学进行研究生课程。
2006年3月，她以客座讲师身份在哥伦比亚大学讲授恐怖主义与反恐怖主义的课程，还引用了自己主演的电影《
V字仇杀队》中的内容。
2008年5月，未满27岁的娜塔莉・波特曼受邀成为戛纳电影节评委。除了评审，她还带来了自己导演的短片，收录在短篇集《
纽约，我爱你》之中，并拉来斯嘉丽・约翰逊加盟。同年9月，她带着她的导演处女作、21分钟短片《前夕》参加威尼斯电影节展映。这一年她获得tccandler评选的全球最美脸蛋第一名。
2010年，她主演的《
黑天鹅》上映，影片使她获得第83届奥斯卡最佳女主角奖。同年，她还参演了大卫・戈登・格林执导的《
王子殿下》和斯宾塞・萨瑟执导的另类文艺片《
海瑟》。
2011年5月8日，她主演的《
雷神》在中国上映。
2012年7月16日，娜塔莉・波特曼现身《
圣杯骑士》拍摄现场，影片于2013年上映。同年12月25日，美国《福布斯》公布了2012年好莱坞“最具性价比”演员榜单，娜塔丽・波特曼位列榜首，成为年度投资回报率最高的演员。
2013年的11月8日，娜塔莉・波特曼出演的《
雷神2：黑暗世界》在美国上映。
2015年5月，娜塔莉・波特曼确认在《性之基础》（OnTheBasisOfSex）中饰演美国大法官鲁丝・巴德・金斯伯格。8月21日，娜塔丽・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600万美元，排第18名。主演传记电影《杰姬》，饰演“第一夫人”杰奎琳・肯尼迪。
