Наоя Иноуэ родился 10 апреля 1993 года в городе Дзама, Япония. С детства начал заниматься боксом. Принимал участие в детских и юношеских соревнованиях по боксу, где нередко занимал призовые места. В 2010 году завоевал бронзовую медаль на юношеском чемпионате Азии по боксу, выступая в весовой категории до 49 кг. В том же году участвовал на юношеском чемпионате мира, в котором проиграл в третьем отборочном бою, кубинцу Йосвани Вейтии.
В 2011 году Иноуэ принял участие на чемпионате мира в Баку для взрослых, в третьем кругу снова встретился с Йосвани Вейтием и снова проиграл, но уже в более конкурентном противостоянии. В 2012 году стал вторым на Азиатском олимпийском квалификационном турнире в Астане, победив киргиза Асылбека Назаралиева и таджика Асрора Вохидова, уступив в финале казахстанцу Биржану Жакыпову. Эта неудача не позволила ему принять участие в Олимпийских играх. Всего на любительском ринге одержал 75 побед, потерпел 6 поражений.
Первый поединок на профессиональном ринге Наоя Иноуэ провел 2 ноября 2012 года. Выиграв первые три поединка нокаутом, уже в четвертом бою победил по очкам соотечественника Реичи Тагучи, и завоевал титул чемпиона Японии в весовой категории до 49 кг. В пятом поединке 6 декабря 2013 года нокаутировал филиппинца Джерсона Мансио и завоевал титул чемпиона Азии по версии Восточной и тихоокеанской боксерской федерации.
Уже в шестом поединке на профессиональном ринге Иноуэ встретился с чемпионом мира, мексиканцем Адрианом Эрнандесом, которого нокаутировал в шестом раунде и в возрасте двадцати лет стал новым чемпионом мира по версии WBC в весовой категории до 49 кг.
Затем 30 декабря 2016 года Наоя Иноуэ нокаутировал в шестом раунде экс-чемпиона мира во втором наилегчайшем весе японца Кохэя Коно. В следующем бою 21 мая 2017 года отправил в нокаут Рикардо Родригеса в третьем. Позднее 9 сентября досрочно победил Антонио Ниевеса. После шестого раунда угол американца отказался от продолжения боя. В бою 30 декабря нокаутировал француза Йоанна Бойо.
Иноуэ 25 мая 2018 года встретился с чемпионом мира в легчайшем весе по версии WBA британцем Джейми Макдоннеллом. Японец одержал победу техническим нокаутом в первом же раунде и стал чемпионом мира в третьей весовой категории.
В рамках четвертьфинала турнира Всемирной боксерской суперсерии Наоя 7 октября нокаутировал в первом раунде экс-чемпиона мира в легчайшем весе доминиканца Хуана Карлоса Пайано. В полуфинале 18 мая 2019 года встретился Эммануэлем Родригесом. Во втором раунде отправил в нокаут чемпиона мира по версии IBF, не имеющего поражений пуэрториканца.
Наоя Иноуэ 7 ноября 2019 года стал победителем Всемирной боксерской суперсерии в легчайшем весе. В финальном поединке выиграл у филиппинца Нонито Донейра по очкам единогласным решением судей. Японец защитил титул чемпиона мира по версии Международной боксерской федерации и завоевал пояс суперчемпиона мира Всемирной боксерской ассоциации.
7 ноября 2019 | Нонито Донэйр | Единогласное решение судей |
18 мая 2019 |
Эммануэль Родригес(19-0) | Технический нокаут |
7 октября 2018 | Хуан Карлос Пайано(20-1-0) | Технический нокаут |
25 мая 2018 | Джейми Макдоннелл(29-2-1) | Технический нокаут |
30 декабря 2017 | Йоанн Бойо | (41-4)Технический нокаут |
9 сентября 2017 | Антонио Ниевес | (17-1-2)Отказ от продолжения боя |
21 мая 2017 | Рикардо Родригес (16-3-0) | Нокаут |
30 декабря 2016 | Кохэй Коно (32-9-1) | Технический нокаут |
4 сентября 2016 | Карун Йарупианлерд (38-7-1) | Нокаут |
8 мая 2016 | Давид Кармона (20-2-5) | Единогласное решение судей |
29 декабря 2015 | Варлито Парренас (24-6-1) | Технический нокаут |
30 декабря 2014 | Омар Нарваэс (43-1-2) | Нокаут |
5 сентября 2014 | Самартлек Кокитджим | (17-4-0)Технический нокаут |
6 апреля 2014 | Адриан Эрнандес (29-2-1) | Технический нокаут |
6 декабря 2013 | Джерсон Мансио (18-3-3) | Технический нокаут |
25 августа 2013 | Рёити Тагути (18-1-1) | Единогласное решение судей |
16 апреля 2013 | Юки Сано (17-2-4) | Технический нокаут |
5 января 2013 | Нгаопраян Чуватана (9-10-0) | Нокаут |
2 октября 2012 | Крисон Омаяо (16-4-1) | Нокаут |