Dès son plus jeune âge, en 1997, Lola Naymark débute sa carrière cinématographique aux côtés de Claudia Cardinale dans Riches, Belles etc. En 2002, elle joue avec Omar Sharif dans Monsieur Ibrahim et les fleurs du Coran dirigée par François Dupeyron. En 2003, elle obtient le prix Michel Simon, est gratifiée d’une nomination aux César dans la catégorie « meilleur espoir féminin », et reçoit le prix de la révélation féminine au festival de Cabourg pour le film Brodeuses d’Eléonore Faucher. Plusieurs téléfilms complètent sa filmographie notamment La nouvelle tribu et D’un coup de baguette magique de Roger Vadim , La promeneuse d’oiseaux de Jacques Otmezguine et Elles et moi de Bernard Stora.

En 2007, elle intègre la Classe libre du Cours Florent. En 2009, elle interprète Ophélie dans Le jour des meurtres dans l’histoire d’Hamlet, mis en scène par Thierry de Peretti. Elle poursuit en parallèle des études de philosophie politique et éthique à la Sorbonne. Après Dans tes bras en juin 2009, on la retrouve trois mois plus tard à l’affiche de L’armée du crime de Robert Guédigian. Elle fait partie depuis 2010 de la compagnie de théâtre Les Années Ivres avec laquelle elle joue Le Dindon de G. Feydeau deux années de suite au festival d’Avignon.

En 2012, elle joue dans Les Liaisons dangereuses de Choderlot de Laclos, mises en scène par John Malkovich.