1968'de İngiltere'de doğan oyuncu, küçük yaştayken babasını kaybetti. Babasının ölümünün ardından annesi ile birlikte Kuzey Galler'e yerleşen Watts daha sonra ailesi ile birlikte Sydney Avustralya'ya göç ederek Avustralya vatandaşlığına geçti.
Kariyerine burada başlayan oyuncu, önce bazı Avustralya televizyon dizilerinde rol aldı. İlk filmi 1991 Avustralya yapımı olan Flirting'dir.
Naomi Watts'ın kariyerindeki dönüm noktası ise 2001'de yer aldığı Mulholland Çıkmazı oldu. Bu filmdeki rolüyle Cannes Film Festivali'nde ödül alan oyuncu, bu tarihten itibaren büyük bütçeli yapımlarda yer almaya başladı. 2004'de oynadığı 21 Gram ile Oscar'a aday gösterildi.