Naomi Watts s-a născut pe 28 septembrie 1968 în Shoreham, Marea Britanie. Mama ei era vânzătoare de antichități, costumieră și scenografă, iar tatăl era unul dintre sunetiștii care lucrau cu Pink Floyd. Mai are un frate, mai mare cu un an. Tatăl ei a murit când ea era încă un copil, iar mama i-a lăsat în grija bunicilor după ce i-a amenințat pe aceștia că, altfel, va fi nevoită să îi ducă la orfelinat. A vrut să devină actriță încă de la 12 ani. La 14 ani s-a mutat cu familia la Sidney în Australia. Aici a și studiat actoria, fiind colegă de clasă și bună prietenă cu Nicole Kidman.
Åži-a început cariera de actriță în câteva seriale australiene și a devenit cunoscută în toată lumea în 2001 după ce a apărut în filmul "Mulholland Drive" regizat de David Lynch. Au urmat apoi "The Ring", "21 Grams", pentru care a primit și o nominalizare la Oscar, "King Kong", "Eastern Promises" și "The International". Este iubita lui Liev Schreiber din 2005 și are doi copii împreună cu acesta.