Naomi Watts est la fille de Peter Watts, ingénieur du son et organisateur des tournées de Pink Floyd dans les années 1970 et de Myfanwy Roberts, surnommée Miv, décoratrice d'intérieur d'origine galloise. Naomi a un frère, Ben Watts, d'un an son aîné, aujourd'hui photographe aux États-Unis.
Leurs parents se séparent quand elle a 4 ans. Lorsqu'elle a 7 ans, leur père décède. Peu après, leur mère déménage la famille à Llanfawr Farm, sur l'île d'Anglesey au large des côtes nord-ouest du Pays de Galles où le gallois est la langue dominante. Ils y vivent avec leurs grands-parents maternels, Nikki et Hugh Roberts. Naomi décrit sa mère comme une hippie « avec des tendances passive-agressive » et sans argent, qui avait l'habitude de menacer de les envoyer, elle et son frère, en famille d'accueil pour subvenir aux besoins de ses parents. Bien que sa mère déplace, à l'occasion, sa famille au Pays de Galles et en Angleterre, le plus souvent pour suivre le petit ami du moment, elle finit toujours par revenir à Llangefni. Naomi y vécut jusqu'à l'âge de 14 ans.
Puis, lors d'un voyage en Australie, sa mère acquiert la conviction qu'il s'agit de « la terre de toutes les chances » et déménage la famille à Sydney en 1982. Sa grand-mère était australienne, ce qui rend plus facile l'obtention des documents nécessaires, et permet en particulier à Naomi et à sa famille d'obtenir la citoyenneté australienne. De sa nationalité, elle a dit : « Je me considère britannique et j'ai de très bons souvenirs de la Grande-Bretagne. J'ai passé les 14 premières années de ma vie en Angleterre et je n'ai jamais voulu la quitter. Quand j'étais en Australie, je revenais souvent en Angleterre. »
À Sydney, Naomi étudie dans plusieurs écoles de théâtre. À la toute première leçon de la première école, elle a rencontré Nicole Kidman, avec qui elle a partagé un taxi pour se rendre en classe et avec qui elle devient grande amie.
En 1986, elle fait une pause dans sa période d'apprentie-actrice, et se rend au Japon pour travailler comme modèle, mais l'expérience, qui durera environ quatre mois, n'est pas un succès : n'ayant pas le physique requis pour un mannequin professionnel, elle était condamnée à travailler pour des publicités, ce qui ne l'intéressait guère. Naomi décrit cette période comme l'une des pires de sa vie. Après son retour en Australie, elle est allée travailler pour un grand magasin, puis pour une revue de mode. Elle n'est revenue au théâtre que suite à l'invitation ponctuelle d'un collègue à participer à une petite pièce, laquelle a ravivé sa passion pour la scène. Elle quitte alors son emploi et se consacre à réussir en tant qu'actrice.
Elle débute dans la comédie romantique For love alone (1986). Elle y côtoie Sam Neill et Hugo Weaving. Après quatre ans d'absence, elle tient des seconds rôles dans Tank Girl ou Babe 2, le cochon dans la ville. Mais c'est en 2001 qu'elle voit sa carrière s'envoler avec
Mulholland Drive de David Lynch. Le film la propulse au rang de star, et elle peut désormais choisir les projets dans lesquels elle s'engage. L'Ascenseur (niveau 2) tourné avant
Mulholland Drive mais sorti après, est un succès grâce à elle.
Naomi vit depuis 2005 avec l'acteur Liev Schreiber. Le couple a eu deux garçons : Alexander Pete, né le 25 juillet 2007, et Samuel Kai, né le 13 décembre 2008.
Naomi Watts est végétarienne et ne cache pas sa compassion pour les animaux, sans exception. Elle soutient activement l'association américaine PETA.