Naomi es hija de Myfanwy y Peter Watts, ingeniero de sonido en los años 70 del grupo Pink Floyd. Sus padres se separaron cuando ella tenía cuatro años, y a los siete, en 1978, su padre fallecería. Naomi nació en Inglaterra, pero se trasladó con su madre a los catorce años a Australia, país en el que creció y en el cual comenzó a tomar clases de interpretación, antes de comenzar a aparecer en anuncios publicitarios, compartiendo audiciones con Nicole Kidman.

Su carrera como actriz se inicia a mediados de la década de los 80, tras aparecer pequeños papeles para títulos como "For love alone" (1986) de Stephen Wallace o "Flirting" (1991) de John Duigan.

Debuta en Hollywood con la película de Joe Dante "Matinee" (1993), film protagonizado por John Goodman, consiguiendo su primer papel de entidad en la película "Tank Girl" (1995), un film dirigido por Rachel Talay y co-protagonizado por Lori Petty.

Después de intervenir en títulos de escasa categoría y aparecer en diversos telefilmes y la serie "Sleepwalkers", consiguió llamar la atención por su interpretación en "Mulholland Drive" (2001), película dirigida por David Lynch que se estrenó en el Festival de Cannes en 2001 con un éxito importante.

"The Ring" (2002), de Gore Verbisnki, confirmó su ascenso en el estatus estelar de Hollywood.

En el 2003 interpretaría a Cristina Peck en la película de Alejandro González Iñárritu "21 Gramos", muy bien recibida por la crítica; y al año siguiente en "El asesinato de Richard Nixon" de nuevo junto a Sean Penn, con el que ya había trabajado en "21 Gramos".

En el 2005 la pudimos ver en la segunda parte de "The Ring", esta vez dirigida por Hideo Nakata; en "Tránsito (Stay)" junto a Ewan McGregor y Ryan Gosling; y en el remake dirigido por Peter Jackson de "King Kong", donde trabajó con gente como Jack Black y Adrien Brody.

Protagonizó "El velo pintado" (2006) junto a Edward Norton; "Promesas del Este" (2007), dirigida por David Cronenberg y co-protagonizada por Viggo Mortensen y Vincent Cassel; y "Funny Games U.S." (2007).

Naomi fue candidata al Oscar en 2013 a la 'Mejor actriz' por su interpretación en la cinta del director Juan Antonio Bayona 'Lo imposible'. También fue candidata a la 'Mejor actriz' en los Globos de Oro, los premios del Sindicato de actores (SAG) y los premios Critics’ Choice, además de recibir el premio “Desert Palm Achievement Actress” del Festival Internacional de Cine de Palm Springs.