Yael Naim est née en France à Paris. Alors qu'elle est âgée de quatre ans, ses parents, juifs d'origine tunisienne s'installent en Israël à Ramat Ha-Sharon où elle passe son enfance1. Durant cette période, elle se découvre une passion pour la musique classique et suit pendant dix ans des cours de musique et de piano classique au conservatoire, puis pour les musiques pop, jazz et folk1. Durant son service militaire en Israël, elle fonde le groupe The Anti Collision avec qui elle parcourt les scènes des clubs israéliens1.

En 2000, elle revient en France à l'occasion d'un concert de charité. Elle est alors repérée par un manager du label EMI et signe un contrat pour un premier album1. Sorti en 2001 sous le pseudonyme de Yael, In a Man's Womb (en collaboration avec Kamil Rustam) ne rencontre pas son public. Elle est également approchée par Elie Chouraqui qui lui propose le rôle de Miriam dans la comédie musicale Les Dix Commandements. Pendant deux ans et demi, elle fait partie de la troupe de cette comédie musicale.

En 2004, elle participe à Spartacus le gladiateur, une autre comédie musicale produite par Elie Chouraqui. La même année, Yael Naim rencontre David Donatien et commence à travailler avec lui sur un nouvel album. Cette collaboration aboutit à l'album Yael Naim qui sort en France le 22 octobre 2007 sous le label Tôt ou tard, et par la suite dans 18 pays sous le nom Yael Naim & David Donatien. Les pressages suivants en France sont sous ce nom à partir d'avril 2008. Le disque devait être à l'origine sorti par Label Bleu, sur son label Bleu Electric, mais est finalement signé en mai 2007 chez Tôt ou tard, suite au renoncement de Label Bleu. Elle a également chanté avec Mystik.

En 2008, le titre New Soul est utilisé par la firme Apple Inc. pour la publicité de son ordinateur ultra-portable MacBook Air. Le titre fait alors son apparition dans la plupart des charts nationaux dont le Billboard Hot 100 où New Soul rentre directement dans le top 10. La même année, Yael Naim remporte le « prix du meilleur album » dans la catégorie « Musique du monde » aux Victoires de la Musique.

En 2009, elle collabore avec l'ONJ de Daniel Yvinec sur un album autour de Robert Wyatt. La même année, elle participe au projet hommage au groupe de musique industrielle Coil, This Immortal Coil sur l'album The Dark Age of Love.

En 2012, lors la campagne pour la présidentielle de 2012, elle soutient François Hollande en interprétant les titres qui l'on fait connaître lors du meeting de Bercy ou encore sur la place de la Bastille pour sa victoire.