Kariera Natalie Hershlag urodziła się w Jerozolimie, lecz wychowała w USA. Jej matka, Shelley Stevens, jest malarką amatorką i jej agentką, pochodzi z Cincinnati w Ohio. Ojciec, Avner Hershlag, jest izraelskim ginekologiem. Jej rodzice są Żydami pochodzenia aszkenazyjskiego, matka jest potomkinią emigrantów z Austrii i Rosji, zaś ojciec jest potomkiem emigrantów z Polski. Pochodząca z Rumunii prababka ze strony ojca w czasie II wojny światowej była brytyjskim szpiegiem, dziadek ze strony ojca pochodził z Rzeszowa (a jego rodzice zginęli w Auschwitz-Birkenau). Gdy Natalie miała 3 lata, jej rodzice przenieśli się do Waszyngtonu, w 1988 przenieśli się do New Haven, a w 1990 rodzina wyjechała z kolei do Nowego Jorku, na Long Island.
Jako dziewczynka uczyła się baletu i tańca nowoczesnego w American Theater Dance Workshop oraz występowała w przedstawieniach w Usdan Theater Arts Camp, m.in. w Fiorello czy Annie Get Your Gun. Uczyła się języka francuskiego, japońskiego, niemieckiego oraz arabskiego.