Родилась в Лондоне 6 сентября 1976 года. Мать Наоми, Лиссель Кайла, переехала с Ямайки в Англию, она одна воспитывала дочь, работала на телевидении сценаристом. В детские годы Наоми Харрис занималась в довольно престижной актёрской школе Анны Шер в Лондоне, которая и добилась для талантливой девочки первой роли в сериале. В 1987-1988 годах Харрис снималась в детском телесериале «Саймон и ведьма», позже она стала одной из ведущих актрис фантастической многосерийной ленты «Люди завтрашнего дня».
В 1992 году Наоми Харрис поступила в один из колледжей Кембриджа, где изучала политологию и социологию. В 1998 году девушка решила продолжить актёрскую карьеру и поступила в театральную школу Бристоль Олд Вик, которая была основана Лоуренсом Оливье. По завершении обучения в 2002 году актриса получила одну из главных ролей в фантастическом триллере «28 дней спустя». Этот фильм принёс Наоми Харрис известность не только в Великобритании, но также за её пределами, он имел очень большой зрительский успех.
В 2004 году актрису пригласили в Голливуд, там она исполнила одну из ролей второго плана в боевике «После заката» с Сальмой Хайек и Пирсом Броснаном в главных ролях. После этого Харрис стала очень часто появляться в американских картинах, однако она, как правило, исполняла роли второго плана. Впрочем, в большинстве своём это были киноленты с большим бюджетом (вторая и третья части фильма «Пираты Карибского моря», боевики «Короли улиц», «Полиция Майами. Отдел нравов», «Ниндзя-убийца»).
Между съёмками в знаменитых «Пиратах» актриса сыграла в метафизической комедии «Тристрам Шенди: История петушка и бычка». В 2007 году Наоми Харрис была номинирована на престижную премию BAFTA (номинация «Восходящая звезда»), однако награда ушла к Еве Грин. В 2009 году актриса побывала на 4 съёмочных площадках: она работала над комедией «Пять моих последних подружек», уже упомянутой лентой «Ниндзя-убийца» и двумя телефильмами. В 2010 году Харрис исполнила главную роль в картине «Секс, наркотики и рок-н-ролл».
