Наоми Уоттс родилась в Шорхэме (графство Кент, Великобритания) 28 сентября 1968 года в семье Питера Уоттса и Мифаннви (Мив) Робертс. Мать занималась продажей старинных вещей, а отец был звукорежиссёром знаменитой рок-группы Pink Floyd. Когда Наоми исполнилось четыре, родители развелись, а в семь лет умер её отец. В поисках лучшей жизни миссис Уоттс с двумя детьми (брат Наоми Бенджамин, ныне известный в США фотограф, старше её на 2 года) объездила пол-Англии и, в конце концов, решила перевезти семью в Австралию, в Сидней, на родину своей матери. Наоми к тому времени исполнилось 14.

В детстве, благодаря матери, игравшей в местном любительском театре, Наоми также увлеклась актёрской игрой. Окончив школу актёрского мастерства, Наоми посещала многочисленные прослушивания, где и встретила Николь Кидман, которая по сей день является её самой лучшей подругой.

В 18 лет Наоми решила попробовать себя в роли модели и нанялась через агентство на работу в Японии. После года борьбы в этом бизнесе она поняла, что это «не её» и вернулась домой. Теперь она оказалась по другую сторону модельного бизнеса — стала работать корреспондентом в журнале мод. После ряда проб и ошибок в выборе профессии она всё же осознала, что её истинное призвание — быть актрисой.

Первой актёрской работой Наоми Уоттс стала маленькая роль в фильме 1986 года «Только ради любви». Вскоре Уоттс удалось получить небольшие роли в фильме «Флирт» (1991) с Николь Кидман и Тэнди Ньютон, а также в австралийском мини сериале, где она снималась ещё с одной будущей австралийской звездой — Расселом Кроу. Режиссёр «Флирта» Джон Дуиган пригласил Наоми и в следующий свой фильм — «Широкое Саргассово море» (1992).

После этого молодая актриса отправилась в Лос-Анджелес. Первый голливудский опыт Наоми Уоттс — «Дневной сеанс» (1993). Ни эта, ни другие роли, сыгранные ею в 90-е годы («Танкистка», «Дети кукурузы 4», «Честная куртизанка», «Чужая планета» и др.) звездой Наоми не сделали.

Дорогой к славе для Уоттс оказался фильм Дэвида Линча с магическим названием «Малхолланд Драйв». Магическим, потому что так же называется пересекающее Город Ангелов шоссе, по которому Наоми так часто гоняла на машине, стараясь развеяться после очередного неудачного прослушивания. Странное раздвоение личности, продемонстрированное актрисой в «Малхолланд Драйв» (первоначально снятого как пилотный проект перед постановкой телесериала) было её первой звездной ролью. Фильм Дэвида Линча, удостоившийся номинации на «Оскар» и получивший приз за лучшую режиссуру в Каннах, принёс Наоми первые крупные награды, включая награду ассоциации американских кинокритиков.

«Малхолланд Драйв» стал началом взлета её карьеры. Последующие роли — Элли Паркер в одноименном фильме (за эту роль Наоми была награждена на фестивале в Сандэнсе, как лучшая актриса короткометражных фильмов) и журналистки Рэйчел Келлер в триллере-блокбастере «Звонок», собравшем в прокате 230 миллионов долларов, закрепили за ней репутацию звезды, после чего на актрису посыпались предложения. Среди работ у Наоми Уоттс числятся: принёсший ей номинацию на «Оскар» «21 грамм» с Бенисио дель Торо и Шоном Пенном, «Убить президента» снова с Шоном Пенном, «Банда Келли» с Хитом Леджером, «Развод» с Кейт Хадсон и Гленн Клоуз, «Взломщики сердец» с Дастином Хоффманом и Джудом Лоу, «Останься» с Эваном Макгрегором и Райаном Гослингом, «Кинг Конг» с Эдриеном Броуди и Джеком Блэком, «Разрисованная вуаль» с Эдвардом Нортоном, «Забавные игры» с Тимом Ротом, «Порок на экспорт» с Вигго Морентэсеном и Венсаном Кассэлем, «Интернэшнл» с Клайвом Оуэном и многие др.