Issue des quartiers nord de Londres, Naomie prend ses premiers cours de théâtre à 9 ans. À sa sortie du Pembroke College de Cambridge, elle poursuit sa formation à l’École d’Art Dramatique de l’Old Vic de Bristol et se consacre une année entière à la scène avant d’auditionner pour le rôle de Selena, la très combative survivante de 28 Jours Plus Tard. Elle est d’ailleurs découverte en 2002 dans ce thriller post-apocalyptique de Danny Boyle.
Outre ce film,Naomie Harris tourne Trauma de Marc Evans avec Colin Firth et Mena Suvari et se produit à la télévision dans le docu-drame de Peter Kosminsky The Project, ainsi que dans White Teeth, d’après le roman de Zadie Smith, et dans deux épisodes de Dinotopia.
Naomie Harris rejoint en 2010 le casting du film d'action Ninja Assassin puis de The First Grader de Justin Chadwick. Deux ans plus tard, l'actrice est à l'affiche de Skyfall, le 23ème épisode de la saga James Bond dans lequel elle incarne Eve Moneypenny, un agent du MI-5. Naomie revient alors sur le devant de la scène en incarnant Minnie Mandela, femme du Nobel de la paix dans le biopic Mandela : Un Long Chemin Vers La Liberté. Son interprétation poignante lui vaut les éloges du public et des critiques.
En 2015, l'actrice est à l'affiche du film d'Antoine Fuqua, La Rage Au Ventre., avant de retrouver l'univers de James Bond pour 007 Spectre. L'année suivante, elle est à l'affiche d'Un Traitre Idéal.
En 2017, elle est à l'affiche du film Moonlight de Barry Jenkins, dans lequel elle incarne la mère du personnage principal, Chiron. On la retrouvera dans Jungle Book : Origins d’Andy Serkis. Dans cette adaptation du célèbre roman de Rudyard Kipling, elle prête sa voix à la louve Nisha auprès de Benedict Cumberbatch, Christian Bale et Cate Blanchett. Warner Bros. sortira le film en octobre 2017.