Naomi Ellen Watts nació el 28 de septiembre de 1968 en Shoreham, Inglaterra. Sus padres Myfanwy Edwards "Miv" Roberts, una comerciante de antigüedades y diseñadora de vestuario y escenografía; y Peter Watts (Peter Anthony Watts), el gerente de ruta de Pink Floyd. Su padre murió cuando Naomi tenía siete años y comenzó a seguir a su madre y su hermano por Inglaterra, hasta que cumplió catorce años, cuando se instalaron en Australia, de donde era su abuela materna.

Sus inicios como actriz los realizó en comerciales y obtuvo su primer papel en la cinta For Love Alone. Se hizo muy amiga de Nicole Kidman el día que ambas compartieron un taxi tras audicionar ambas en un comercial de bikinis; juntas participaron en la cinta Flirting.

Tras hacer algunas películas en Australia, saltó a la fama gracias a que el cineasta David Lynch la contratara en Sueños, misterios y secretos (2001), que le abrió puertas en Hollywood en El Aro, versión norteamericana del clásico de terror japonés, y que la catapultó en el cine comercial.

En 2004 logra su primer nominación al Oscar como Mejor Actriz por 21 Gramos, del director Alejandro G. Iñárritu y en 2013 repite la candidatura por su papel en Lo Imposible.

Ha participado en cintas como St. Vincent, Diana, Adore, Conocerás al Hombre de tus Sueños, Madres e hijas, Promesas del Este, King Kong, la saga Divergente y en series como Gypsy y Twin Peaks.

Vivió 11 años con el actor Liev Schreiber, con quien tiene dos hijos.