Natalie, además de actriz, también se destacó como científica. El 5 de junio de 2003 Portman se graduó de la Universidad de Harvard con un título en Psicología. En una entrevista publicada en el periódico New York Post declaró «No me importa si la universidad arruina mi carrera», y de acuerdo con un artículo de Fox News la actriz dijo «Prefiero ser inteligente que una estrella de cine». En Harvard fue la ayudante de investigación de Alan Dershowitz en el laboratorio de psicología. Durante sus años de estudio vivió en la residencia de estudiantes Lowell House y escribió una carta al periódico estudiantil Harvard Crimson en respuesta a un ensayo que criticaba las acciones de los israelíes hacia los palestinos.