Наоми Елън Уотс е родена на 28 септември 1968 г. в Шорхам, Кент, Англия, Великобритания. Баща й Питър е звуков инженер на „Пинк Флойд”, умира когато Наоми е на седем. Заедно с майка си и брат си се местят често. Установяват се в Австралия през 1982 г.
След като пристигат, придумва майка си да я запише на уроци по актьорско майсторство. След участие в няколко реклами тя дебютира в киното през 1986 г във „For Love Alone”. Малко по-късно тя среща на кастинг за реклама за бикини своята бъдеща най-добра приятелка Никол Кидман. През 1991 двете се снимат във „Flirting” на Джон Дуган. Същата година играе с Ръсел Кроу и Бренда Фрикър в "Brides of Christ". Малко след това отново работи с Джон Дуган в „Wide Sargasso Sea” (1993). Наоми продължава да се снима в незначителни роли като тази в „Децата на царевицата ІV”.
След като се премества в САЩ участва с малки роли в нискобюджетни продукции. Големият й успех се казва „Мълхоланд Драйв” (2001), нейните две героини Бети Елмс и Даян Селуин привличат вниманието както на критиката така и на големите продуценти в Холивуд. На следващата година участва в „Предизвестена смърт” (2002) на Гор Вербински, който е римейк на японския „The Ringu” (1998).
Филмът има страхотен успех, неговият бокс офис надхвърля 1 милион долара. Критиците не са очаровани, но това не пречи Наоми да заеме мястото си в светлината на прожекторите. На следващата година се снима с Кейт Хъдзън в адаптацията на Мърчант/Айвъри „Развод по френски” (2003). Същата година е поканена от Алехандро Гонзалес Иняриту да играе в „21 грама”. Всички след това казват, че Уотс е една от най-добрите актриси на своето поколение. За ролята си получава номинация за „Оскар”. Малко след това е избрана да играе Ан Дароу в „Кинг Конг” на Питър Джаксън и тя заминава за Нова Зеландия, където снимките продължават 5 месеца.
Година по-късно приема роля в първата си комедия „I Heart Huckabees” (2004). През 2005 се снима в продължението на „Предизвестена смърт”, а също и в пълнометражната версия на филма от 2001 „Ели Паркър”, на който става и продуцент. 12 месеца по-късно партнира на Едуард Нортън и Лив Шрайбър в „Цветният воал” (2006) По време на снимките се влюбва в Лив, от който ражда момченце –Александър Пийт през юли 2007. След „Интернешънъл” (2009) ще я гледаме в „Need” (2009) с Никол Кидман и „неЧЕСТНА ИГРА” (2010), с Шон Пен.
