Née en Grande-Bretagne en 1968, Naomi Watts passe son enfance en Australie, avant d'y entamer sa carrière d'actrice en 1986, avec For love alone, où elle côtoie Sam Neill et Hugo Weaving. Devenue amie avec Nicole Kidman, elle mettra cependant plus longtemps qu'elle à percer, puisque pendant que celle-ci creuse son trou à Hollywood, Naomi se contente d'un second rôle dans Tank girl de Rachel Talalay (1995), ou d'une voix additionnelle dans Babe, le cochon dans la ville de George Miller (1998). Patiente, la comédienne attend tranquillement son heure, et ne rate donc pas la chance que lui offre David Lynch en lui confiant l'un des rôles principaux de Mulholland Drive, en 2001 : son interprétation de l'ingénue Diane marque les esprits des spectateurs du monde entier, et lui vaut de nombreuses récompenses comme celles décernées par le National Board Review, la National Society of Film Critics, ou la Chicago Film Critics Association.

Succès public et critique, Mulholland Drive propulse Naomi tout en haut de l'affiche, à tel point que c'est son seul nom qui vend L'Ascenseur (niveau 2), tourné avant le film de David Lynch, mais qui débarqué sur les écrans français en janvier 2002. Cette même année, la comédienne reste dans le domaine de l'épouvante, et s'illustre dans Le Cercle - The Ring de Gore Verbinski, remake du long métrage d'Hideo Nakata... sous la direction duquel elle tournera la suite, succès oblige : Le Cercle - The Ring 2 (2004). Entre temps, Naomi Watts aura trouvé de quoi se rendre indispensable, en apparaissant aux génériques du Divorce de James Ivory (2003) ou J'adore Huckabees (2004), comédie existentielle de David O. Russell, où elle a pour partenaires Jude Law ou Jason Schwartzman.

Mais c'est dans 21 grammes, devant la caméra nerveuse du Mexicain Alejandro González Inárritu qu'elle livre l'une des ses performances les plus intenses, aux côtés de Sean Penn, Benicio Del Toro et Charlotte Gainsbourg. Performance qui lui vaut d'attirer le regard de Peter Jackson, à la recherche de l'héroïne de son King Kong. C'est ainsi que Naomi se retrouve sur le toit de l'Empire State Building, perchée sur l'énorme main d'un gorille géant, pour sa première participation à un blockbuster, dont le succès lui donne un crédit et une marge de manoeuvre encore plus importants. On peut sinon la retrouver à l'affiche du thriller Stay de Marc Forster, avec Ewan McGregor et Ryan Gosling, ou encore dans le drame Le Voile des illusions, où elle donne la réplique à Edward Norton et Liev Schreiber.

Naomi Watts entame par la suite un sombre virage, en plongeant dans l'enfer de la mafia russe chez David Cronenberg (Les Promesses de l'ombre), avant d'être l'une des victimes des Funny Games mis en place par Michael Haneke, en plein exercice d'auto-remake, puis d'incarner une avocate enquêtant aux côtés de Clive Owen dans L'Enquête - The International. En 2010, elle revient à la comédie sans laisser le thriller, partageant l'affiche de Vous allez rencontrer un bel et sombre inconnu mis en scène par Woody Allen, avec Antonio Banderas, Josh Brolin et Anthony Hopkins, puis retrouvant Sean Penn dans le Fair Game, de Doug Liman (La Mémoire dans la peau).

En 2011, elle touche à l'Histoire en incarnant la secrétaire personnelle d'Edgar Hoover sous la direction de Clint Eastwood dans J. Edgar, puis joue les voisines bienveillantes dans le très mal reçu thriller schizophrène Dream House. Le réalisateur espagnol Juan Antonio Bayona lui donne alors un rôle tremplin vers une seconde nomination à l'Oscar en adaptant l'histoire vraie d'une famille écartelée par le tsunami qui frappa la Thaïlande en 2004. Dans l'ambitieux film catastrophe The Impossible (2012), elle est vibrante de courage et de ténacité. On la retrouve l'année suivante devant la caméra d'Anne Fontaine pour Perfect Mothers, où elle partage l'affiche avec Robin Wright. 

Après avoir incarné le rôle-titre de Diana, très mal reçu biopic consacré à la célèbre princesse morte en 1997, Naomi Watts rejoint la distribution de l'oscarisé Birdman et prend part à Divergente 2 et 3 via le personnage de Evelyn Johnson-Eaton. Femme du boxeur solide comme un rock Chuck Wepner dans Outsider et de Woddy Harrelson dans Le Château de verre, l'actrice est également présente à la télévision : elle retrouve ainsi David Lynch pour la troisième saison de Twin Peaks et incarne une thérapeute jouant à un jeu dangereux dans Gypsy.