Наоми Уоттс родилась в Шорхэме (графство Кент, Великобритания) 28 сентября 1968 года в семье Питера Уоттса и Мифаннви (Мив) Робертс. Мать занималась продажей старинных вещей, а отец был звукорежиссёром знаменитой рок-группы Pink Floyd. Когда Наоми исполнилось четыре, родители развелись, когда ей было семь лет, умер её отец. В поисках лучшей жизни миссис Уоттс с двумя детьми (брат Наоми Бенджамин, ныне известный в США фотограф, старше её на 2 года) объездила пол Англии и, в конце концов, решила перевезти семью в Австралию, в Сидней, на родину своей матери. Наоми к тому времени исполнилось 14.

В детстве, благодаря матери, игравшей в местном любительском театре, Наоми также увлеклась актёрской игрой. Окончив школу актёрского мастерства, Наоми посещала многочисленные прослушивания, где и встретила Николь Кидман, которая по сей день является её лучшей подругой. Первой актёрской работой Наоми Уоттс стала маленькая роль в фильме 1986 года «Только ради любви».

В 18 лет Наоми решила попробовать себя в роли модели и нанялась, через агентство, на работу в Японии. После года борьбы в этом бизнесе она поняла, что это «не её» и вернулась домой. Теперь она оказалась по другую сторону модельного бизнеса — стала работать корреспондентом в журнале мод. После ряда проб и ошибок в выборе профессии она всё же осознала, что её истинное призвание — быть актрисой.

Вскоре Уоттс удалось получить небольшие роли в фильме «Флирт» (1991) с Николь Кидман и Тэнди Ньютон, а также в австралийском мини-сериале, где она снималась ещё с одной будущей австралийской звездой — Расселом Кроу. Режиссёр «Флирта» Джон Дайган (англ.) пригласил Наоми и в следующий свой фильм — «Безбрежное Саргассово море» (1992).

После этого молодая актриса отправилась в Лос-Анджелес. Первый голливудский опыт Наоми Уоттс — «Дневной сеанс» (1993). Ни эта, ни другие роли, сыгранные ею в 90-е годы («Танкистка», «Дети кукурузы 4», «Честная куртизанка», «Чужая планета» и другие) звездой Наоми не сделали.