Родилась 28 сентября 1968 года в Великобритании, в графстве Кент. Ее мать занималась торговлей антиквариатом, а отец был звукорежиссером легендарной группы Pink Floyd. Родители развелись, когда девочке было четыре года, спустя три года после этого отец скончался. В тот период Наоми вместе со старшим братом и матерью часто меняли место жительства и успели пожить в разных уголках Англии. В конце концов они осели и вовсе в Сиднее, в Австралии. К тому моменту будущей актрисе исполнилось четырнадцать лет.
Мать девочки увлекалась игрой в любительском театре, чем, естественно, заразила и свою дочь. Юная Уоттс окончила школу актерского мастерства и стала ходить по кастингам, где познакомилась и подружилась с начинавшей карьеру Николь Кидман.
В 1986-м году Наоми дебютировала на экране, сыграв небольшую роль в фильме «Только ради любви». Кроме того, она обратила внимание на модельную карьеру и отправилась в Японию, но так и не увлеклась миром моды и вернулась в Австралию. Она устроилась журналистом в популярный журнал, но желание стать актрисой не пропало. В 1991-м году Уоттс предложили эпизодическую роль в картине «Флирт» вместе с Николь Кидман, затем Наоми отметилась в мини-сериале «Невесты Христа», где ее напарником стал еще никому не известный Рассел Кроу. Спустя год режиссер «Флирта» дал актрисе роль в картине «Широкое Саргассово море», снятой по роману Джин Рис. После завершения работы над фильмом Уоттс переехала в Лос-Анджелес и быстро прошла кастинг на ленту «Дневной сеанс». Следующей заметной работой стало участие в комедии «Девушка-танк». В девяностых годах Наоми появилась в фильме ужасов «Дети кукурузы 4: Сбор урожая», триллере «Неопознанные», драме «У времени в плену», детективном сериале «Охотники за сновидениями», драме «Танцы у маяка», мелодрамах «Честная куртизанка» и «Странная планета». Несмотря на обилие ролей, они приносили ей только важный актерский опыт, но не известность.
Счастливым билетом в мир мирового кино для Уоттс стала одна из главных ролей в триллере Дэвида Линча «Малхолланд Драйв». Картина стала культовой, номинировалась на премию «Оскар» и получила приз Каннского кинофестиваля, а имя Наоми обрело известность. Следующими фильмами с ее участием стали успешные «Звонок», «Четверо похорон и одна свадьба», «Аутсайдер», «Кролики», «Банда Келли», «Развод» и драматический триллер «21 грамм», за роль в котором Уоттс номинировалась на «Оскара». Позднее вышли комедия «Взломщики сердец», мелодрама «Мы здесь больше не живем», основанная на реальных событиях драма «Убийство Ричарда Никсона», триллер «Останься». В 2005-м году еще большую популярность актрисе принес блокбастер «Кинг-Конг», после чего свет увидели такие картины с ее участием, как «Разрисованная вуаль», «Порок на экспорт», «Забавные игры», «Интернэшнл», «Мать и дитя», «Игра без правил». Среди последних работ Уоттс можно отметить детективный триллер «Дом грез» и биографическую драму «Дж. Эдгар».
