Wychowała się w silnie zaangażowanej społecznie i politycznie rodzinie o żydowskich korzeniach. Dziadkowie od strony ojca byli amerykańskimi marksistami aktywnymi politycznie w USA w latach 30. i 40. Phillip Klein, dziadek Naomi, zawodowy rysownik, zatrudniony w wytwórni Walta Disneya, pracował nad takimi produkcjami jak "Fantazja", "Królewna Śnieżka" czy "Pinokio". W 1941 roku, chcąc wyegzekwować zaległe premie od wytwórni, zainicjował kilkumiesięczny strajk, zakończony zwolnieniem oraz wciągnięciem go na czarną listę McCarthy’ego. Wiara w ideowy komunizm dziadków Naomi całkowicie upadła po wydarzeniach związanych z podpisaniem przez Stalina paktu Ribbentrop-Mołotow oraz referacie Nikity Chruszczowa w 1956 roku. Ojciec, Michael Klein, był fizykiem zaangażowanym w protesty społeczne przeciwko wojnie wietnamskiej. Gdy Naomi miała sześć lat, przeprowadził się wraz z rodziną do Kanady, kontynuując działalność społeczną. Jej matka, Bonnie Klein, jest znana głównie jako twórczyni filmu "Not a Love Story", będącego krytyką zjawiska pornografii. Jej brat, Seth Klein, jest działaczem określanej jako lewicowa organizacji Canadian Centre for Policy Alternatives. Mąż, Avi Lewis, jest kanadyjskim dziennikarzem i dokumentalistą.