В 1992 году Харрис поступила в Пембрук-Колледж, 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 Лоуренсом 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. За роль в фильме актриса была награждена премией Black Reel в номинации «Прорыв года».
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.