Vyrůstala v Austrálii, kde rozjela svou hereckou kariéru. Na filmovém plátně Naomi Watts debutovala v romantickém snímku For Love Alone (1986), dále si zahrála mj. v dramatu Flirtování (1991) či v thrilleru Krutý omyl (1993).
Průlomovou roli Naomi Watts dostala v roce 2001 od režiséra Davida Lynche v jeho psychologickém thrilleru Mulholland Drive. Herečka se za ni dočkala nominace na Los Angeles Film Critics Association Awards, New York Film Critics Circle Awards a The Saturn Awards.
Na svém kontě má Naomi Watts dvě nominace na Oscara v kategorii Nejlepší herečka v hlavní roli, a to za své výkony v krimi 21 gramů (2003) a v katastrofickém akčním dramatu Nemožné (2012). Obdržela nominace i na několik dalších významných cen, včetně Zlatého glóbu a ceny BAFTA.
Klíčové postavy Naomi Watts ztvárnila v řadě filmů. Jmenujme např. tragikomedie Miluj svého souseda (2014) a Demolice (2015), horor V pasti (2016), drama Dokonalý student (2019), thriller Hodina nejistoty (2021) či mysteriózní snímek Dobrou noc, mami (2022).
Stala se hvězdou i americké seriálové tvorby. Naomi Watts hlavní role ztvárnila v seriálech společnosti Netflix Gypsy (Terapeutka) a The Watcher (Vidím vás). Zahrála si také v seriálu HBO The Outsider.
Kromě herectví se Naomi Watts věnuje charitě. Stala se také velvyslankyní dobré vůle Rozvojového programu OSN. Její krása ji předurčila být ambasadorkou několika kosmetických a pečujících produktů.
Se svým bývalým partnerem, hercem Lievem Schreiberem, má Naomi Watts dvě děti. V roce 2017 začala chodit s hercem Billem Crudupem.