El 1984 emigrà als Estats Units amb els seus pares, on manté, no obstant això, la doble nacionalitat. Tot i que feu alguns papers durant l’adolescència (Léon, 1994, de Luc Besson; Beautiful Girls, 1996, de Ted Demme; Anywhere but Here, 1999, de Wayne Wang), estudià psicologia a Harvard, on l’any 2003 es graduà. Després d’una incursió en el teatre (2001) i algunes actuacions com a secundària, especialment en episodis de Star Wars, l’any 2004 rellançà la seva carrera com a actriu amb el film Garden State, de Zach Braff, al qual seguiren Closer (2004, Globus d’Or a la millor actriu secundària 2005), de Mike Nichols; Star Wars Episode III: Revenge of the Sith (2005), de George Lucas; Free Zone (2005), d’Amos Gitai; V for Vendetta (2006), de James McTeigue; Goya’s Ghosts (2006), de Milos Forman; Mr. Magorium’s Wonder Emporium (2007), de Zach Helm; The Other Boleyn Girl (2008), de Justin Chadwick; The Other Woman (2009), de Don Roos; Brothers (2009), de Jim Sheridan; Hesher (2010), de Spencer Susser; Black Swan (2010), de Darren Aronofsky, amb el qual obtingué l’Oscar a la millor actriu el 2011; No Strings Attached (2011), d’Ivan Reitman; Thor (2011), de Kenneth Branagh; Thor: The Dark World (2013), d’Alan Taylor; Jackie (2016), de Pablo Larraín, pel qual fou nominada com a millor actriu als premis Oscar, Globus d’Or i BAFTA, i Thor: Love and Thunder (2021), de Taika Waititi.
Dirigí, escriví el guió i protagonitzà A Tale of Love and Darkness (2015), pel·lícula parlada totalment en hebreu basada en l’obra homònima d’‘Amos Oz, que fou nominada a la Càmera d’Or del Festival de Canes.