Geboren ist Naomi Watts in Großbritannien, nach dem Tod des Vaters zog sie mit ihrer Familie aber zuerst nach Norwegen und dann nach Australien. Obwohl sie schon früh Schauspielerin werden wollte, verschlug es Naomi Watts zuerst als Model nach Japan. Der Ausflug war aber nicht von Erfolg gekrönt und zurück in Australien hatte sie die Schauspielerei fast schon wieder aufgegeben. Nachdem sie ein Arbeitskollege überzeugen konnte, in einem kleinen Stück aufzutreten, entschied sie sich aber doch für eine Schauspielkarriere.
Von kleinen Rollen in australischen Fernsehserien und Werbeclips versuchte sich Naomi Watts schließlich auch am Film und stand 1991 neben ihrer ehemaligen Highschool Klassenkameradin Nicole Kidman vor der Kamera. Das war allerdings noch nicht der Startschuss für eine große Karriere, ihr Steckbrief blieb noch eine Zeit lang ohne handfeste Hollywood-Blockbuster. In "Verführt - Schuldig oder nicht schuldig?", einem Gerichtsdrama aus dem Jahr 1993, verkörperte sie erstmalig eine bedeutendere Figur.
David Lynchs "Mulholland Drive - Straße der Finsternis" sollte dann ihren Durchbruch markieren. Im Horrorfilm "Ring" konnte sie ein Jahr später erneut beim Publikum punkten. Seit dem war Naomi Watts an der Seite von Heath Ledger, Sean Penn, Benicio del Toro, Viggo Mortensen, Leonardo DiCaprio in Clint Eastwoods "J. Edgar" zu sehen. Bei den "Oscars 2013" könnte es dann sogar einen "Goldjungen" für sie geben, denn für ihre Rolle im Melodram "The Impossible" bekam sie eine Nominierung in der Königklasse als "beste Hauptdarstellerin", musste sich aber gegen Jennifer Lawrence geschlagen geben.
Am 29. August 2013 wird sie in der Rolle der Prinzessin Diana in dem gleichnamigen Film zu sehen sein.