영국에서 태어난 나오미 왓츠는 10살 때 아버지의 사망으로 정신적 충격을 받게 된다.
몇 년이 지난 후 호주에 정착한 나오미 왓츠는 그곳에서 연기 수업을 받게 되고 몇차례 오디션을 통해 1986년 라는 영화로 스크린에 데뷔하였다.

오디션을 보면서 알게 된 니콜 키드먼과는 이후 친밀한 사이로 우정을 나누게 된다.
나오미 왓츠가 러셀 크로우, 브렌다 프리커, 조세핀 바이런스, 킴 윌슨과 더불어 미니시리즈 를 찍는 동안 친구인 니콜 키드먼은 로 주목받은 후
헐리우드로 건너가 스타가 되었다. 나오미 왓츠 역시 1993년 헐리우드로 진출했으나 에서 단역으로 출발해야 했고,
1995년 에서는 제법 비중있는 역을 맡지만, 영화가 일부 매니아들의 지지를 얻는데 그치고 만다.

15년간의 무명 배우 생활에서 나오미 왓츠를 건져낸 것은 데이빗 린치였다.
칸영화제 감독상을 수상한 영화에서 인상 깊은 연기를 선보여 전미비평가협회와 시카고비평가협회 여우주연상을 수상한 것을 비롯,
10여개의 크고 작은 영화제에 여우주연상 후보로 오르며 자신의 이름을 알렸다.

2002년 작품 에서 조카의 의문스런 죽음 이후 죽음의 비디오를 발견하고 사건을 추적해나가는 레이첼역을 맡은 나오미 왓츠는 무리없이 영화를 이끌어 나가며 자신의 연기력을 다시 한 번 입증해보였다.
링은 전미 박스오피스에서 1위를 기록하며 흥행 수입 1억 달러를 돌파하는 기대 이상의 흥행성적을 올렸고, 이후 나오미 와츠는 전성기를 누리게 된다.

2018 베네치아 영화제 심사위원으로 선정되었다.