Nació el 28 de septiembre de 1968 en Shoreham, Inglaterra. A los 14 años se trasladó a Australia. Empezó a estudiar interpretación mientras iba al colegio y siendo aún adolescente dió sus primeros pasos como actriz. En 1986 toma la decisión de ser actriz y se va a Japón para empezar trabajando como modelo, pero fue un fracaso, y Watts lo describe como uno de los peores períodos de su vida, durante unos cuatro meses. Cinco años después llegó su primer papel importante en La primera experiencia, donde coincidió con una todavía desconocida Nicole Kidman.Al volver a Australia, Watts comenzó a trabajar para unos grandes almacenes locales, como secretaria auxiliar y luego fue a trabajar como redactor auxiliar de un editor de una revista de moda australiana. Sólo volvió a actuar cuando un amigo le invitó de forma casual a participar en una pequeña obra que le terminó de convencer de que realmente quería ser actriz.
Su padre, Peter Watts, era ingeniero de sonido en los años 70 del grupo Pink Floyd. Su madre, Myfanwy Watts, era una hippie con tendencias pasivo-agresivas, según palabras de su propia hija, que la amenazaba varias veces con abandonarla. Ambos progenitores se separaron cuando Naomi tenía 4 años y cuando cumplió 7 murió su padre.
Se la ha relacionado con distintos actores. Estuvo saliendo con Heath Leadger durante bastantes años, el director Daniel Kirby, y actualmente con Liev Schreiber, con quien ha tenido su primer hijo, Alexander Pete.
Premios: Nominada al Oscar por 21 Gramos en la categoría de Mejor Actriz.
Filmografía selecta:
Año, Película, Personaje
2009 -Need (en producción)
2009 - The Birds (rumor)
2009 - Kicked, Bitten and Scratched ( pre-producción)
2008 - The International (rodando)
2007 - Promesas del Este - Anna
2006 - El Velo Pintado - Kitty Fane
2005 - King Kong - Ann Darrow
2005 - Tránsito - Lila Culpepper
2005 - La Señal 2 - Rachel Keller
2004 - Extrañas Coincidencias - Dawn Campbell
2003 - 21 Gramos - Cristina Peck
2003 - Le Divorce - Roxeanne de Persand
2002 - La Señal - Rachel Keller
2001 - Mulholland Drive - Betty Elms/Diane Selwyn
