Naomi Ellen Watts est la fille de Peter Watts, ingénieur du son anglais, organisateur des tournées du groupe Pink Floyd dans les années 1970 et de Myfanwy Roberts, surnommée Miv, antiquaire, décoratrice, et costumière d'origine galloise. Naomi a un frère, Ben Watts, d'un an son aîné, aujourd'hui photographe aux États-Unis.

Ses parents se séparent quand elle a 4 ans. Lorsqu'elle a 7 ans, son père meurt, dans des conditions jamais élucidées ; selon une autre source, la biographie Pink Floyd : l'histoire selon Nick Mason de Nick Mason, il serait mort d'une overdose.

Peu après, la famille s'installe sur l'île d'Anglesey, au nord-ouest du pays de Galles, dans la localité de Llanfawr Farm, entre les villes de Llangefni et Llanfairpwll. Naomi et son frère vivent alors avec leurs grands-parents maternels, Nikki et Hugh Roberts, durant trois ans. À Anglesey où le gallois est la langue dominante, elle fréquente durant cette période la Ysgol Gyfun Llangefni, établissement scolaire mettant l'accent sur l'apprentissage de la langue galloise. Naomi décrit sa mère comme une hippie, sans argent, qui parfois menaçait d'envoyer ses enfants en famille d'accueil. Naomi et son frère suivent ensuite leur mère à Londres.

Naomi dit avoir voulu devenir actrice après avoir vu sa mère jouer sur scène, et à partir du moment où elle a visionné le film Fame.

En 1978 la mère de Naomi, Myfanwy, se remarie. En 1982, la famille quitte le Royaume-Uni pour l'Australie, Naomi a alors 14 ans. Sa grand-mère maternelle étant australienne, l'obtention des documents nécessaires est facilitée et permet à Naomi et à sa famille d'acquérir la nationalité de leur pays d'accueil.

Myfanwy travaille ensuite en tant que décoratrice pour des publicités télévisées puis devient costumière pour le soap opera Return to Eden.

Sur sa nationalité, l'actrice explique :

« Je me considère britannique et j'ai de très bons souvenirs de la Grande-Bretagne. J'ai passé les quatorze premières années de ma vie en Angleterre et au pays de Galles et je ne voulais pas partir. Quand j'étais en Australie, je revenais souvent en Angleterre. » Mais elle a aussi exprimé son attachement à l'Australie : « Je suis très connectée à l'Australie, quand on me demande où se trouve ma maison, je réponds en Australie, où mes souvenirs sont les plus forts. »

À Sydney, Naomi est inscrite à des cours de théâtre. Elle se lie d'amitié avec Nicole Kidman qu'elle rencontre durant le casting d'une pub pour Bikini. Elle fréquente les établissements Mosman High School et North Sydney Girls High School mais n'obtient pas son diplôme de fin d'études.

À l'âge de 18 ans, elle décide de devenir mannequin et se rend au Japon. Elle passe alors des auditions mais n'étant pas retenue, elle retourne à Sydney. Elle travaille ensuite pour un magasin, puis pour une revue de mode. Plus tard, un collègue invite Naomi à participer à un atelier d'art dramatique, ce qui ravive sa passion pour la scène. Elle quitte alors son emploi et choisit de poursuivre une carrière d'actrice. Par la suite, elle fait de brèves apparitions dans des publicités télévisées américaines.

En 1986, elle débute en jouant dans le film For Love Alone. réalisé par Stephen Wallace, avec en vedettes Helen Buday, Sam Neill et Hugo Weaving.

Après cinq ans d'absence, elle rencontre le réalisateur John Duigan qui lui propose un rôle dans le film indépendant Flirting, où apparaît également Nicole Kidman, puis joue dans des séries télévisées.

Elle décide alors de s'installer aux États-Unis.

Elle est révélée au début des années 2000 par le thriller psychologique Mulholland Drive, de David Lynch, puis le film d'horreur Le Cercle, de Gore Verbinski et enfin le drame 21 Grammes, d'Alejandro González Inárritu, qui lui vaut sa première nomination à l'Oscar de la meilleure actrice.

Durant les années 2000, elle joue sous la direction de David O. Russell, Hideo Nakata, Marc Forster, John Curran, David Cronenberg, Michael Haneke, Tom Tykwer, Rodrigo García, Woody Allen et Clint Eastwood. Peter Jackson la dirige également dans la super-production King Kong.

Finalement, c'est sa performance dans le film catastrophe The Impossible, de Juan Antonio Bayona, qui lui vaut sa seconde nomination à l'Oscar de la meilleure actrice. Elle incarne Diana Spencer dans le biopic Diana d'Oliver Hirschbiegel, qui est cependant mal reçu par la critique.

Par la suite, après avoir participé à plusieurs films indépendants - dont While We're Young et Demolition - et tenu un second rôle dans la franchise Divergente, elle joue dans deux séries télévisées : Twin Peaks, qui marque ses retrouvailles avec David Lynch, puis Gypsy, dont elle est la tête d'affiche.

Elle a tourné avec, entre autres, David Lynch, David Cronenberg, Peter Jackson, Woody Allen, Michael Haneke, Gus Van Sant, Clint Eastwood, David O. Russell, James Ivory, Alejandro González Inárritu, Anne Fontaine, Hideo Nakata ou, plus récemment, à la télévision, Stephen Frears.

Entre 2002 et 2004, Naomi Watts a eu une relation avec l'acteur Heath Ledger.

De 2005 jusqu'en septembre 2016, elle a partagé la vie de l'acteur Liev Schreiber. Le couple a eu deux enfants : Alexander Pete, né le 25 juillet 2007, et Kai, née le 13 décembre 2008. Fin septembre 2016, ils annoncent leur séparation après onze ans de vie commune.

Depuis 2017, elle est en couple avec l'acteur Billy Crudup. Ils se marient le 9 juin 2023.

En juillet 2019, Naomi Watts a fait un don à la campagne électorale du Congrès de Valerie Plame pour le 3^e district du Congrès du Nouveau-Mexique.

Avec Nicole Kidman, elle est la marraine des enfants de Simon Baker. Elle déclare pratiquer la méditation transcendantale qui la « maintient calme et stable ». Elle envisagea de se convertir au bouddhisme après s'être intéressée à cette religion lors du tournage du Voile des illusions. Elle a déclaré à propos de ses croyances religieuses : « J'ai certaines croyances, mais je ne suis pas encore une bouddhiste stricte. »