Naomi Watts sinh ra tại Shoreham, Kent, nước Anh. Mẹ cô là Myfanwy Edwards - một nhà thiết kế thời trang, cha là Peter Watts - một chuyên viên âm thanh làm việc cho ban nhạc Pink Floyd.[2] Cha mẹ cô ly dị năm cô 4 tuổi và cha cô mất năm 1976.[3] Sau đó, cô cùng mẹ và anh trai chuyển tới Llanfawr Farm, trên đảo Anglesey ở North Wales sống cùng ông bà ngoại. Trong thời gian này cô học tập tại trường "Welsh language" và trường "Ysgol Gyfun Llangefni".[4]

Watts muốn trở thành một nữ diễn viên sau khi cô xem bộ phim "Fame" (1980).[5] Năm 1982, Watts chuyển đến Úc cùng với mẹ và anh trai khi cô 14 tuổi,[6] bà của Watts là một người Úc nên cả gia đình cô dễ dàng có được giấy tờ để nhập cư và được công nhận là công dân Úc. Watts được mẹ cô dạy về diễn xuất, cô cũng tham gia thử giọng cho quảng cáo truyền hình.Ở Sydney, Watts đã theo học trường "Mosman High School" và trường "North Sydney Girls' High School", cô đã gặp Nicole Kidman và 2 người trở thành bạn thân.[7] Năm 1986, cô dừng việc học tập ở trường và tới Nhật để làm người mẫu nhưng công việc này không thành công như mong đợi, cô lại trở về Sydney làm việc cho một cửa hàng bách hóa. Lời mời tham gia vào một hội thảo phim truyền hình đã khơi gợi lại niềm đam mê với nghệ thuật diễn xuất của cô và ngay sau đó, cô đã từ bỏ công việc hiện tại và nỗ lực để trở thành diễn viên.[8]

Naomi Watts vẫn coi bản thân mình là công dân của cả hai nước Anh và Úc, cô nói: "Tôi vẫn coi mình là một người Anh và đã có những ký ức thật tuyệt vời ở nước Anh. Tôi đã sống ở Anh 14 năm và chưa bao giờ muốn rời bỏ. Khi đã ở Úc, tôi vẫn thường xuyên quay lại nước Anh".[9] Cô cũng thể hiện mình là 1 công dân của nước Úc: "Bản thân tôi cũng là 1 người Úc và có mối liên kết chặt chẽ với nước Úc, khi có ai đó hỏi nhà tôi ở đâu, tôi sẽ nói là Australia, bởi vì ở đó chứa những kỷ niệm sâu sắc nhất của tôi".[10]