Наоми Харрис родилась в Северном Лондоне. Её мать, Кармен, в пять лет переехала в Англию с Ямайки, одна воспитывала дочь, поскольку отец, уроженец Тринидада, оставил её ещё до рождения Наоми. Кармен работала сценаристом на телевидении, в течение тринадцати лет она работала над мыльной оперой «Жители Ист-Энда»[2]. Наоми с детства занималась в престижной лондонской актёрской школе Анны Шер, которая добилась для неё первой роли в телесериале. В 1987 и 1988 годах Харрис снималась в детском сериале «Саймон и ведьма» производства BBC, позже она была одной из ведущих актрис фантастического сериала «Люди завтрашнего дня».
В 1992 году Харрис поступила в Пембрук-колледж (Кембридж), один из колледжей Кембриджского университета, где изучала социологию и политологию. В 1998 году, решив продолжить актёрскую карьеру, Харрис поступила в театральную школу Бристоль Олд Вик, основанную Лоренсом Оливье. После завершения обучения в 2002 году Наоми была выбрана на одну из главных ролей в фильме «28 дней спустя». Этот фантастический триллер имел большой зрительский успех и принёс актрисе известность, как в Великобритании, так и за её пределами.
В 2004 году Харрис пригласили в Голливуд — она исполнила одну из ролей второго плана в комедийном боевике «После заката» с Пирсом Броснаном и Сальмой Хайек в главных ролях. После этого Наоми стала регулярно сниматься в американских фильмах: она играла роли второго плана в фильмах с высоким бюджетом, таких как вторая и третья части «Пиратов Карибского моря», а также боевики «Полиция Майами. Отдел нравов», «Короли улиц» и «Ниндзя-убийца».
В 2007 году Харрис была номинирована на премию BAFTA в номинации «Восходящая звезда», но награду получила Ева Грин[3]. В начале 2011 года Харрис играла роль невесты Франкенштейна в одноимённой театральной постановке Дэнни Бойла, в которой её партнёрами были Бенедикт Камбербэтч и Джонни Ли Миллер[2]. Харрис исполнила роль Ив Маннипенни, напарницы Джеймса Бонда в 23-й части «Бондианы», 007: Координаты «Скайфолл», вышедшей в 2012 году[4].
В 2017 году была номинирована на премию «Оскар», BAFTA, «Золотой глобус» и «Премию Гильдии киноактёров США» за лучшую женскую роль второго плана в фильме "Лунный свет". Награждена Орденом Британской империи[5].