Naoko Mori wuchs in Japan, den Vereinigten Staaten und England auf. Als Mori 15 Jahre alt war, kehrte ihre Familie nach Japan zurück. Mori entschied sich dafür, in London zu bleiben und besuchte dort eine Schauspielschule. Als 17-Jährige spielte sie im Londoner West End die Hauptrolle im Musical Miss Saigon an der Seite von John Barrowman.
Danach begann sie ihre Karriere vor der Kamera in Fernseh- und Kinoproduktionen aufzubauen. Nach einem Auftritt als Dr. Sato in der britischen Serie Doctor Who erzielte sie ihren Durchbruch, als Russell T Davies sie und ihren Charakter als Hauptrolle für seine Science-Fiction-Serie Torchwood übernahm.
