Ta prześliczna blondynka urodziła się w Anglii, ale jako nastolatka przeprowadziła się wraz z rodziną do Australii. Tam, jeszcze w szkole średniej, poznała Nicole Kidman z którą przyjaźni się do dzisiaj i z którą zagrała w 1991 roku w „Randce na przerwie”. Ale swój debiut filmowy Naomi zaliczyła znacznie wcześniej, bo w 1986 roku rolą w filmie „For Love Alone”. Przez kolejne lata Naomi pojawiała się w kilku serialach i filmach telewizyjnych, ale dopiero jej występ w 2001 roku w „Mulholland Drive” Davida Lyncha sprawił, że ona sama została zauważona, a jej kariera nabrała wyraźnego tempa.

David Lynch zobaczył ją na castingu nie znając żadnych z jej wcześniejszych ról, po czym od razu zaoferował jej udział w „Mulholland Drive”. Potem powiedział „Zobaczyłem kogoś kto ma potężny talent, piękną duszę i inteligencję, która daje możliwości wielu różnych ról”.

Od tego czasu Naomi zaczęła grać duże pierwszoplanowe role, jak na przykład w „Kręgu”, amerykańskim remake’u japońskiego horroru, „Rozwodzie po francusku” gdzie grała z inną śliczną blondynką Kate Hudson czy w „21 gramach” Alejandro Gonzáleza Iárritu, za co Naomi zebrała rewelacyjne recenzje. Według wielu rola Cristiny Peck, która w tragicznym wypadku traci męża i dwie córki, jest najlepszą w jej dotychczasowej karierze czego potwierdzeniem była nominacja do Oscara dla Najlepszej Aktorki Pierwszoplanowej. Te trzy przykładowe tytuły pokazują jak zróżnicowane role wybiera Naomi – od horroru, poprzez komedię, do wielkich produkcji i małych niezależnych filmów.

Po sukcesie „21 gramów” aktorka zagrała w wojskowym dramacie „Już tu nie mieszkamy”, komedii „Jak być sobą” oraz dramacie „Zabić prezydenta” gdzie po raz drugi, po „21 gramach”, zagrała z Seanem Pennem. W 2005 roku pojawiły się dwie duże produkcje z jej udziałem czyli „Krąg 2” oraz „King Kong” Petera Jacksona. Potem były „Wschodnie obietnice” i „Funny Games”. W 2011 roku Naomi miała wcielić się w Marilyn Monroe w filmie “Blondynka”, ale projekt znacznie się opóźnił. Zamiast tego pojawiła się w filmie Clinta Eastwooda “J.Edgar” jako lojalna sekretarka legendarnego założyciela FBI, którego zagrał Leonardo DiCaprio. W tym samym czasie miała zagrać w remake’u „Ptaków” Alfreda Hitchcocka z 1963 roku, ale film nie doszedł do skutku. Z powodu jej kilku ról w remakach Naomi zaczęła być określana „królową remaków” czym aktorka się jednak za bardzo nie przejęła i zagrała w dramacie „Niemożliwe” za co otrzymała drugą nominację do Oscara dla Najlepszej Pierwszoplanowej Aktorki.

W 2013 roku wcieliła się w jedną z najbardziej wymagających ról w swojej karierze czyli w „Dianę”. Film skupił się na ostatnich latach życia Księżnej Diany, jej romansie z chirurgiem Hasnatem Khanem i tragicznej śmierci w wypadku samochodowym. Reżyser filmu Oliver Hirschbiegel powiedział, że jest zaszczycony, że tak wspaniała aktorka będąca wcieleniem człowieczeństwa, emaptii i ciepła zagrała w jego filmie taką ikonę jak Księżna Diana.

Prywatnie Naomi tworzy szczęśliwą parę z aktorem Livem Schreiberem z którym ma dwójkę synów.