Alors qu'elle n'a que 12 ans, ses parents hésitent à la laisser jouer dans son premier film, Léon de Luc Besson, en raison de la violence du scénario et du caractère ambigu des relations unissant son personnage à celui du tueur incarné par Jean Reno. Remarquée d'emblée pour sa spontanéité, sa grâce et son talent inné de comédienne, la jeune Natalie se voit proposer par George Lucas le rôle qui lui apportera une renommée mondiale à 18 ans : celui de la princesse Padmé Amidala dans la seconde trilogie Star Wars. Pourtant, elle hésite sur la voie qu'elle veut emprunter, et elle étudie en parallèle la psychologie à la prestigieuse université de Harvard.