Наоми Уоттс родилась 28 сентября 1968 года в Шорхэме (графство Кент, Англия), в семье Питера Уоттса (1946—1976) и Мэва́нви (Мив) Робертс. Её мать занималась продажей старинных вещей, а отец до 1974 года был роуд-менеджером группы Pink Floyd. Дедушка по материнской линии Уоттс был валлийцем, а бабушка по материнской линии была австралийкой.
Когда Наоми исполнилось четыре года, её родители развелись. А когда ей было семь лет, её отец умер от передозировки героином. 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 лет.
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.
В Австралии Уоттс посещала среднюю школу Мосмана и среднюю школу девочек Северного Сиднея. Она не смогла окончить школу, после чего работала киномонтажером и управляющей магазином деликатесов в богатом районе Сиднея.
Она решила стать моделью в возрасте 18 лет и подписала контракт с модельным агентством, которое отправило её в Японию, но после нескольких неудачных прослушиваний она вернулась в Сидней. Там Уоттс была нанята для работы в рекламе универмага, привлекшей внимание журнала Follow Me, который нанял её в качестве помощника редактора моды. Случайное приглашение принять участие в театральной мастерской вдохновило Уоттс бросить свою работу и стать актрисой.
Что касается её национальности, Уоттс заявила: «Я считаю себя британкой и у меня очень счастливые воспоминания о Великобритании. Я провела первые четырнадцать лет своей жизни в Англии и Уэльсе и никогда не хотела уезжать. Когда я была в Австралии, я часто возвращалась в Англию». Она также подчеркнула свои связи с Австралией, сказав: «Я считаю, что я очень связана с Австралией, на самом деле, когда люди спрашивают, где мой дом, я говорю — в Австралии, потому что это мои самые сильные воспоминания».