Élevée par sa grande tante et son mari après avoir été abandonnée par ses parents, Naomi Kawase étudie d'abord à l’école de photographie d'Osaka dont elle sort diplômée en 1989. Elle y enseigne pendant quatre ans avant de se lancer dans la réalisation de courts-métrages en 8mm et 16mm à la fin des années 80. Elle réalise plusieurs courts et moyens métrages documentaires et autobiographiques, dont Dans ses bras (1992), sur la recherche de son père. Ce film lui vaut le Premier Prix d'encouragement du Festival Forum de l'image de Tokyo.

Quatre ans plus tard, Naomi Kawase écrit et réalise son premier long métrage, Suzaku, situé dans sa province natale de Nara, qui lui permet de remporter la Caméra d'or au Festival de Cannes 1997. Elle épouse cette même année le producteur Takenori Sento qu'elle a rencontré lors de la production de son film qu'elle adaptera quelques années plus tard en roman. Elle retourne à Nara en 2000, après son divorce d'avec le producteur, pour tourner Hotaru, qu'elle écrivit après un détour expérimental avec Kaleidoscope, évoquant sa collaboration avec le photographe Arimoto Shinya.

En 2003, elle s'accorde un petit rôle dans Shara, film qu'elle présente en compétition officielle au 56ème festival de Cannes. Le film lui vaut une reconnaissance internationale. Elle donne naissance à sa fille l'année suivante. Cannes lui réussit bien puisque La Forêt de Mogari (2007), son quatrième long-métrage de fiction, reçoit le Grand Prix du jury lors de la 60e édition du festival.

Sans jamais abandonner les documentaires, puisqu'elle réalise les primés Dans le silence du monde en 2001, La danse des souvenirs en 2003 et Naissance et maternité en 2006, la cinéaste multiplie les expériences internationales, tournant avec la Thaïlande (Nanayo - 2008 -, avec l'acteur français Grégoire Colin), l'Espagne ( pour le documentaire court In Between Days - 2009 -) et rejoignant le film sud-coréen à sketches Eo-ddeon bang-moon (2009), auprès de Hong Sangsoo. Elle effectue son retour cannois avec une nouvelle fiction tournée à Nara, Hanezu, l'esprit des montagnes (2011), l'histoire d'un triangle amoureux inspiré d'anciens poèmes japonais. Ses réalisations se font depuis ses débuts avec un budget modeste et sans star. Elle privilégie constamment un chemin narratif inhabituel, mêlant chronique journalière de fiction avec des images documentaires. 

Elle participe aussi, en 2011, au film collectif 60 Seconds of Solitude in Year Zero, dont elle signe un segment, aux côtés de ses compatriotes cinéastes Shinji Aoyama, Ishii Sogo et Edmund Yeo. Décidément fidèle à la Croisette, on la retrouve en 2013 membre du jury sous la présidence de Steven Spielberg puis l'année suivante en compétition officielle avec Still the water. Le film est, comme souvent, irrigué par la place primordiale donnée à la nature et à la relation intimiste des deux personnages principaux, joués par Miyuki Matsuda et Jun Murakami.

À l'inverse, son œuvre suivante, Les Délices de Tokyo (2015), se déroule dans le cadre urbain de la capitale nippone. Projeté en ouverture d'Un Certain Regard à Cannes, ce drame, qui suit la rencontre de trois individus qui se retrouvent autour de la confection de dorayakis (pâtisserie fourrée à la pâte d'haricot rouge), est sans doute le film le plus accessible de Kawase. La réalisatrice, devenue l'une des figures incontournables du Festival de Cannes, préside le jury de la Cinéfondation et des courts métrages en 2016 puis présente en compétition officielle en 2017 Vers la lumière, un film dans lequel une femme tombe amoureuse d'un homme qui perd la vue.

L'année suivante sort sur les écrans Voyage à Yoshino, son premier film porté par une star, en l'occurrence Juliette Binoche, qui campe une Française s'envolant pour le Pays du Soleil Levant à la recherche d'une plante médicinale rare. Mais ce drame, qui met une nouvelle fois à l'honneur la nature, est un échec public et critique. Son film suivant, True Mothers, est un mélodrame qui interroge la question de l'amour maternel en confrontant un couple à la mère biologique de leur enfant adoptif.

Après avoir réalisé un documentaire à l'occasion des Jeux de Tokyo 2020, elle revient au cinéma avec L'Illusion de Yakushima, dans lequel une Française (Vicky Krieps) s’occupe d’enfants en attente de greffe cardiaque au Japon, où le don d'organes est un sujet tabou.