Née à Londres, Naomi Harris montre très tôt de l’intérêt pour la comédie. Elle entame cependant des études de sciences politiques et sociales à l’université de Cambridge. N’étant pas du tout satisfaite de cette expérience, elle décide de prendre des cours à la prestigieuse Bristol Theatre School de Londres. A partir de 1987, l’actrice décroche des petits rôles à la télévision britannique, que cela soit dans des séries ou dans des téléfilms comme White Teeth.

En 2002, elle fait ses premiers pas sur grand écran dans Living In Hope. Dans cette comédie, elle accompagne un groupe de jeunes étudiants qui font leurs premiers pas à l’université. Mais c’est surtout son rôle dans 28 jours plus tard de Danny Boyle qui la révèle. Aux côtés de Cillian Murphy dans le rôle de Jim, un coursier tout juste sorti du coma, elle va tenter de survivre tandis que la population de Londres est contaminée par un étrange virus.

C’est à nouveau à un héros sortant du coma qu’elle est confrontée en 2004 dans Trauma. Cette fois-ci, il n’est plus question de contaminés aux tendances violentes mais d’un homme, Colin Firth, qui se tourne vers une médium pour communiquer avec l’esprit de sa femme. Changement radical de registre pour l'actrice en 2006 avec Pirates des Caraïbes : le Secret du Coffre Maudit et sa suite en 2007. Elle y prête ses traits à la sorcière Tia Dalma.

Un an après avoir participé au sombre thriller Au bout de la nuit (2008), la comédienne incarne l’agent Mika Coretti, traquée par le clan Ozunu dans le détonant Ninja Assassin. Forte de cette expérience, elle côtoie à nouveau le monde des agents secrets, et donne même la réplique au plus célèbre d’entre eux dans Skyfall (2012). Elle ajoute ainsi son nom à la longue liste des James Bond Girls en incarnant Eve aux côtés de la super-star Daniel Craig.

Un an plus tard, Harris est Winnie Mandela, la seconde épouse du célèbre homme d'Etat sud-africain dans Mandela : Un long chemin vers la liberté. Après deux rôles secondaires dans La Rage au ventre et Un traître idéal, elle livre une performance émouvante en mère toxicomane du héros dans le film oscarisé Moonlight, puis rejoint Dwayne Johnson dans le blockbuster Rampage - Hors de contrôle et prête sa voix à Nisha dans Mowgli.

On la voit ensuite en héroïne du polar Black and Blue et du thriller The Wasp, en super-vilaine dans Venom: Let There Be Carnage et à nouveau en Moneypenny dans Mourir peut attendre, dernier Bond avec Craig. Décidément à l'aise dans le registre de l'espionnage, elle tourne pour Soderbergh dans Insider (2025). En parallèle, Naomie campe la brillante scientifique Justin Falls dans la série SF The Man Who Fell to Earth.