Naomi Ellen Watts nasce nel 1968 nel Kent, da madre antiquaria e costumista e da padre sound engineer dei Pink Floyd, morto di overdose nel 1976. Nel 1982 si sposta con la madre in Australia dove, spronata da lei, comincia a prendere lezioni di recitazione, ottenendo un primo ruolo nel film For Love Alone del 1986, con protagonista Sam Neill.
Naomi non riuscirà mai a completare il liceo, e anche la sua carriera di modella fallirà, ma sarà sempre sostenuta dalla sua cara amica Nicole Kidman. La recitazione le garantisce comunque in Australia, in questo periodo, qualche soddisfazione: è diretta da John Duigan nel 1991 in Flirting, e ottiene un ruolo fisso nella famosa soap opera Home and Away, dove incontra Heath Ledger, che più avanti sarà il suo compagno, dal 2002 al 2004. Aiutata da Nicole, si propone ad agenti americani, strappando una piccola parte nel Matinee di Joe Dante nel 1993, ma sfondare in America è così difficile che pensa di mollare. Perde ruoli di rilievo in L'uomo del giorno dopo, L'avvocato del diavolo e Ti presento i miei (per quest'ultimo sostiene una quantità sfibrante di provini). Continua a lavorare più in Australia, in film minori, finché due colpi di fortuna non le aprono le porte del successo.
Il primo ha il nome di David Lynch, che entusiasta la sceglie in Mulholland Drive (2001), una rivelazione per il pubblico e per gli addetti ai lavori. A stretto giro il botteghino la scopre nel 2002 col remake americano di The Ring (parteciperà anche al sequel).
Con la carriera tardivamente avviata, Naomi viaggia a pieno regime: ottiene una nomination all'Oscar e il premio del pubblico come migliore attrice a Venezia per 21 grammi (2003); dà il suo contributo ai poco noti ma apprezzati I giochi dei grandi (2004) e Ellie Parker (2005, dove guardacaso interpreta un'attrice che non riesce a sfondare negli States).
Meritato è il suo Saturn Award come migliore attrice protagonista per il monumentale remake di King Kong (2005), firmato da Peter Jackson, dove dimostra doti recitative e mimiche di prim'ordine. In quell'anno comincia a frequentare l'attore Leiv Schreiber, col quale divide il set di Il velo dipinto (2006), che arriva in sala quando i due sono ormai già sposati.
Due gli importanti impegni del 2007, uno in La promessa dell'assassino di David Cronenberg, accanto a Viggo Mortensen e Vincent Cassel, e l'altro nel remake americano del Funny Games di Michael Haneke. Non ha la fortuna di incrociare i film migliori di due grandi cineasti come Woody Allen (Incontrerai l'uomo dei tuoi sogni, 2010) e Clint Eastwood (J. Edgar, 2011), e il suo secondo lavoro al fianco di Sean Penn, la storia vera di un'agente della CIA in Fair Game (2010), non riscuote un enorme successo.
Tra il 2012 e il 2013 viene sballottolata tra due accoglienze agli antipodi: la nomination agli Oscar e ai Golden Globe per il suo ruolo di madre sopravvissuta allo Tsunami in The Impossible (2012), e la nomination ai Razzie per il ruo ritratto di Lady Diana in Diana (2013).
Nel recente Birdman (2014) torna a lavorare con Alejandro González Iñárritu, che l'aveva diretta undici anni prima in 21 grammi. La rivedremo prossimamente nel sentimentale-generazionale While We're Young (2014) di Noah Baumbach.