نائومی الن واتس در ۲۸ سپتامبر ۱۹۶۸ در شهر شورهام، کنت، انگلیس متولد شد. او دختر میو (Miv) ادواردز، فروشنده عتیقه و طراح لباس، و پیتر واتس (۱۹۴۶–۱۹۴۶)، یک مدیر راه و مهندس صدا است که با پینک فلوید همکاری میکرد. میو در انگلیس متولد شد اما بین یک تا هفت سال در استرالیا زندگی کرد. پدربزرگ مادری واتس ولزی بود و مادربزرگ مادریاش استرالیایی بود.
والدین واتس وقتی چهار ساله بودند، طلاق گرفتند. پس از طلاق، واتس و برادر بزرگترش بن واتس، چندین بار به همراه مادرشان در جنوب شرقی انگلیس خانهشان را عوض کردند. پیتر واتس در سال ۱۹۷۴ پینک فلوید را ترک کرد و در سال ۱۹۷۶ مجدداً ازدواج کرد. در اوت ۱۹۷۶، وی در یک آپارتمان در ناتینگ هیل، به دلیل مصرف بیش از حد هروئین، مرده پیدا شد.
او در ۱۸ سالگی تصمیم گرفت مدل شود. او با یک آژانس مدلینگ قراردادی امضا کرد که او را به ژاپن فرستاد اما پس از چندین جلسه معارفه ناکام، او به سیدنی بازگشت. در آنجا، او برای کار در تبلیغات در یک فروشگاه بزرگ استخدام شد که او را مورد توجه فالو می، مجلهای قرار داد که او را به عنوان دستیار سردبیر مد استخدام کرد. دعوتهای گاه به گاه برای شرکت در کارگاه درام به واتس الهام داد تا شغل خود را ترک کند و جاه طلبیهای بازیگری خود را دنبال کند.