Родилась Наоми Уоттс в Британии, в небольшом городке Шорхэме, чо в графстве Кент. Ее мать занималась антикварной торговлей, а отец имел некоторое отношение к шоу-бизнесу, поскольку некоторое время работал в качестве роуд-менеджера на легендарную британскую рок-группу Pink Floyd. Когда Наоми была еще четырехлетней малышкой, родители расстались, а через три года ее отец умер от передоза. Матери было очень сложно растить двоих детей, и после некоторых скитаний по Британии, она с детьми отправилась на свою родину в Австралию. Будущей актрисе тогда исполнилось четырнадцать. Ее мать увлекалась театром, и эта любовь передалась дочери, которая окончив школу актёрского мастерства, начала свое путешествие по прослушиваниям и кастингам, в процессе чего обрела свою лучшую подругу – Николь Кидман. Ее старания не прошли даром, и с 1986 года начали появляться фильмы с Наоми Уоттс, в первом из которых она сыграла эпизод. Потом были пробы стать моделью, она даже работала в этом качестве в Японии, затем журналисткой в модных журналах, но все же в конечном итоге, она вернулась к актерской карьере, а в 1992-м отправилась покорять Голливуд.
В 2005 случилась ее звездная роль Энн Дэрроу - возлюбленной Кинг-Конга, в фильме Питера Джексона.
Однако дорогой к ее славе оказалась картина Дэвида Линча «Малхолланд Драйв». И в этом есть нечто мистическое, поскольку именно так называется хай-вэй, который пересекает Лос-Анджелес, и по которому Наоми Уотс гоняла на своем автомобиле, когда хотела прийти в себя после очередной неудачи на очередном кастинге.
Поначалу Наоми Уоттс вела весьма бурную личную жизнь, но затем остепенилась и живет в фактическом браке с актёром Левом Шрайбером. У пары н сегодняшний момент двое сыновей Саша и Сэмми. Все они проживают в Нью-Йорке.