Nel corso della carriera si è aggiudicata sette titoli WTA su dodici finali disputate, vincendo quattro tornei del Grande Slam: gli US Open nel 2018 e nel 2020 e gli Australian Open nel 2019 e nel 2021. In seguito al primo successo australiano, il 28 gennaio 2019 è diventata la prima asiatica a raggiungere il primo posto del ranking mondiale. È stata la prima giapponese a vincere un titolo Slam e la terza nell'era Open a qualificarsi per le WTA Finals.
Nel 2019, nel 2020, nel 2021 e nel 2022 è stata l'atleta donna più pagata dell'anno, incassando rispettivamente 37, 60, 57,3 e 53,2 milioni di dollari.
Il 23 luglio 2021, alle Olimpiadi di Tokyo 2020, è stata la tedofora che ha acceso il braciere olimpico.
Biografia È figlia di Leonard François, originario di Haiti, e di Tamaki Ōsaka, una giapponese dell'isola di Hokkaidō, dove i due si erano conosciuti nel periodo in cui François studiava a New York. Si sposano ma vengono ostacolati dal padre di lei e si trasferiscono a Ōsaka, dove nel 1997 nasce Naomi. A lei e alla sorella Mari, che a sua volta sarà una tennista professionista, viene assegnato il cognome Ōsaka per facilitarne l'integrazione in una società che può essere ostile con gli stranieri, in virtù della legge giapponese che consente ai figli di una donna locale e di un uomo straniero di prendere il cognome della madre.
Nel 2000 la famiglia si trasferisce a Valley Stream, località di Long Island nello stato di New York, nella casa dei genitori di François. Cresce in una comunità haitiana e assorbe quella cultura, oltre a quella giapponese della madre e, in misura minore, quella statunitense. Leonard François segue i match disputati dalle sorelle Williams all'Open di Francia 1999 e, nonostante non l'avesse mai praticato prima, decide di insegnare il tennis alle proprie figlie prendendo come modello Richard Williams, padre delle due campionesse statunitensi, che a sua volta aveva iniziato ad allenarle senza avere esperienze in materia. È così che Naomi Ōsaka inizia a giocare all'età di tre anni insieme alla sorella.
Nel 2006 la famiglia si sposta nel sud della Florida, dove si allenano molte delle migliori giovani tenniste statunitensi. Si stabiliscono nella contea di Broward nella quale vive una folta comunità haitiana. Passano il tempo ad allenarsi tra loro e vengono tenute ai margini dell'ITF Junior Circuit.
Nonostante sia cresciuta soprattutto negli Stati Uniti, quando diventa professionista il padre sceglie per lei che rappresenti il Giappone, pensando che in questo modo avrebbe avuto più opportunità. Ha la cittadinanza giapponese e fino al 2019 ha avuto anche quella degli Stati Uniti, dove ha vissuto insieme alla famiglia dall'età di tre anni. Capisce bene il giapponese ma lo parla poco in pubblico, e alle domande dei giornalisti suoi connazionali preferisce rispondere in inglese. Nel 2019 ha rinunciato alla cittadinanza statunitense a causa delle leggi del Paese del Sol Levante che consentono ai cosiddetti hāfu di mantenere la doppia cittadinanza solo fino ai 22 anni.
Dopo il trionfo agli US Open 2018 è diventata un idolo ad Haiti e in Giappone. Ammirata in tutto il mondo, ha polarizzato l'attenzione dei maggiori sponsor diventando l'atleta donna più pagata in un singolo anno nella storia dello sport. L'improvvisa fama non ha mutato il suo carattere schivo e rispettoso. Al Roland Garros 2021 ha dichiarato di soffrire di ansia e depressione.
Carriera 2012-2014: prime finali ITF ed esordi nel circuito maggiore Debutta nel circuito ITF nel marzo 2012 con una sconfitta a Clearwater (Florida). Il mese successivo, alla sua seconda apparizione, vince il primo incontro da professionista nelle qualificazioni del torneo di Jackson. In luglio supera le qualificazioni a Evansville e vince il primo incontro in un tabellone principale, guadagnando il primo punto nel ranking WTA. In settembre raggiunge la sua prima semifinale ITF ad Amelia Island e viene sconfitta dalla sorella Mari per 6-2 6-3. Chiude l'anno alla posizione nº 1028 del ranking.
Nell'aprile 2013 viene sconfitta 4-6, 4-6 dalla nº 101 del mondo Mónica Puig al secondo turno dell'ITF da $25.000 di Pelham. A fine maggio supera le qualificazioni a El Paso e il 2 giugno disputa la prima finale ITF in carriera, dove viene battuta da Sanaz Marand in 2 set. Grazie a questo risultato guadagna 260 posizioni nel ranking salendo alla nº 532. A settembre gioca per la prima volta le qualificazioni di un torneo WTA a Quebec-City e viene sconfitta al primo incontro. Partecipa anche alle qualificazioni del torneo WTA di Tokyo e anche in questo caso esce di scena subito per mano di Sílvia Soler Espinosa. In ottobre supera in tre set la nº 107 WTA Michelle Larcher de Brito al primo turno dell'ITF da $50.000 di New Braunfels ed esce al secondo turno. Conclude il 2013 alla posizione nº 415 della classifica mondiale.
Nel febbraio 2014 viene sconfitta al primo turno delle qualificazioni del torneo WTA di Acapulco da Ashleigh Barty. Subito dopo perde la sua seconda finale ITF nel torneo messicano di Irapuato, dove esce sconfitta da Indy de Vroome in 3 parziali. Vince i suoi primi incontri nelle qualificazioni di un torneo WTA a fine luglio a Stanford battendo Alla Kudrjavceva e Petra Martić e si qualifica per la prima volta a un tabellone principale del circuito maggiore. Al primo turno elimina a sorpresa la nº 19 ed ex nº 4 del mondo Sam Stosur, conseguendo la prima vittoria nel circuito WTA. Nel turno seguente viene eliminata da Andrea Petković. Dopo questo exploit raggiunge la top 300. In ottobre raggiunge il secondo turno al WTA International di Ōsaka e cede in 3 set alla nº 31 WTA Elina Svitolina. Termina l'annata alla 260ª posizione, dopo essere stata 238ª in ottobre.
2015: prima finale in un WTA 125s e top 150 Nel 2015 gioca con maggiore frequenza nel circuito WTA e disputa nel circuito ITF solo tornei con montepremi minimo di $50.000. Dopo i quarti raggiunti in gennaio a Hong Kong, nel torneo ITF da $100.000 di Midland in febbraio supera per la prima volta una top 100, la nº 87 Nicole Gibbs, sconfitta in 3 set prima di cedere il passo nei quarti a Louisa Chirico. Si ferma al primo turno nelle successive qualificazioni al WTA di Acapulco, battuta da Urszula Radwańska. Il 3 maggio perde la finale del torneo ITF di Gifu dopo aver eliminato al primo turno un'altra top 100, la nº 96 WTA Wang Qiang. In giugno perde un'altra finale ITF a Surbiton, questa volta contro Vitalia Diatchenko, e a fine torneo si trova per la prima volta nella top 200 del ranking. In giugno fa la sua prima esperienza in un torneo del Grande Slam alle qualificazioni di Wimbledon e viene subito eliminata da Sorana Cîrstea. Agli US Open vince il primo incontro delle qualificazioni ma viene sconfitta al secondo da Johanna Konta. In novembre raggiunge la sua prima finale WTA 125s a Hua Hin dopo aver eliminato nel corso del torneo le top 100 Evgeniya Rodina e in semifinale Nao Hibino; nell'atto conclusivo cede a Jaroslava Švedova con il punteggio di 4-6, 7-6, 4-6; il giorno dopo ritocca il miglior ranking alla posizione nº 157 e chiude la stagione alla nº 144.
2016: prima finale in un WTA Premier e top 40 Nel 2016 abbandona il circuito ITF e si concentra sui tornei del circuito maggiore. In gennaio fa il suo esordio nel main draw di uno Slam all'Australian Open, supera le qualificazioni e nel tabellone principale estromette Donna Vekić e la nº 21 WTA Elina Svitolina senza perdere alcun set, al terzo turno raccoglie solo 2 giochi contro Viktoryja Azaranka. Entra nella top 100 il 4 aprile dopo il terzo turno raggiunto nel prestigioso Miami Open, nel quale infligge al secondo turno un pesante 6-1, 6-3 alla nº 18 del mondo Sara Errani. Raggiunge il terzo turno anche al Roland Garros eliminando Jeļena Ostapenko e Mirjana Lučić-Baroni, viene eliminata dalla nº 6 del mondo Simona Halep dopo averle strappato il primo set. È costretta a dare forfait a Wimbledon per un infortunio che la costringe per un mese fuori dal circuito. Dopo i quarti disputati a inizio agosto alla Brasil Tennis Cup in cui era testa di serie nº 8, raggiunge il terzo turno anche agli US Open eliminando la top 30 Coco Vandeweghe e Duan Yingying; contro la nº 9 del mondo Madison Keys si trova avanti per 5-1 nel terzo set, ma subisce una clamorosa rimonta e perde al tiebreak. Nel torneo di Tokyo raggiunge la sua prima finale WTA Premier superando nell'ordine Misaki Doi, la nº 12 WTA Dominika Cibulková, Aljaksandra Sasnovič e in semifinale la nº 20 Elina Svitolina; la gioia del primo titolo le viene negata dalla ex numero uno del mondo Caroline Wozniacki, che si impone per 7-5, 6-3; questo risultato la proietta nella Top 50 e chiude l'anno al 48º posto dopo essere stata 40ª in ottobre. A fine stagione, le colleghe della WTA le assegnano il premio riservato all'esordiente dell'anno.
2017: prime vittorie su giocatrici top 10 Costretta al ritiro durante il match di terzo turno all'esordio stagionale a Auckland, viene sconfitta seccamente da Johanna Konta al secondo turno dell'Australian Open. Nei tornei successivi non supera mai il terzo turno e al Roland Garros esce al primo turno per mano della qualificata Alison Van Uytvanck. Dopo i successi nei primi turni a Wimbledon su Sara Sorribes Tormo e sulla nº 23 WTA Barbora Strýcová, viene eliminata al terzo turno dalla futura finalista Venus Williams. Costretta al ritiro nel terzo turno del Premier 5 di Toronto, si presenta due settimane dopo agli US Open e al primo turno ottiene la più importante vittoria di inizio carriera e primo successo su una top 10 sulla campionessa uscente e nº 6 del mondo Angelique Kerber, alla quale concede solo 4 giochi. Elimina quindi Denisa Allertová per poi venire sconfitta a sorpresa dalla qualificata Kaia Kanepi. Subisce 4 sconfitte consecutive al primo turno dei tornei successivi, si riscatta all'Hong Kong Open prendendosi la rivincita sulla nº 5 del mondo Venus Williams, battuta per 7-5, 6-2, per poi venire sconfitta nei quarti dalla futura trionfatrice del torneo Anastasija Pavljučenkova. I risultati del 2017 sono inferiori a quelli conseguiti nella stagione precedente e a fine anno si ritrova 68ª nel ranking WTA. È di quel periodo l'inizio della collaborazione con Sascha Bajin, l'ex coach di Serena Williams, al quale molti esperti attribuiscono buona parte dei meriti nei progressi della campionessa giapponese nel 2018.
2018: vittoria a Indian Wells, primo US Open e Top 5
Fa il suo esordio stagionale a Hobart con la sconfitta in due set patita al primo turno contro Julija Putinceva. Nei primi incontri degli Australian Open supera in due set nell'ordine Kristína Kučová e le top 20 Elena Vesnina e Ashleigh Barty, al quarto turno viene eliminata dalla futura finalista e nº 1 al mondo Simona Halep in due parziali. A Doha esce di scena al secondo turno per mano della testa di serie nº 13 Anastasija Sevastova. A Dubai soccombe nei quarti alla futura vincitrice del torneo Elina Svitolina. Si presenta a Indian Wells da nº 44 del mondo e si spinge fino alla finale, la prima in un Premier Mandatory, sconfiggendo Marija Šarapova con un doppio 6-4, Agnieszka Radwańska per 6-3, 6-2, Sachia Vickery con un doppio 6-3 e Maria Sakkarī per 6-1, 5-7, 6-1; nei quarti ha la meglio contro la nº 5 WTA Karolína Plíšková per 6-2, 6-3 e in semifinale infligge alla nº 1 del mondo Simona Halep un eloquente 6-3, 6-0. In finale batte Dar'ja Kasatkina per 6-3, 6-2 e conquista il suo primo titolo in 6 anni di carriera professionistica, che le vale la 22ª posizione del ranking.