Naomi ya había trabajado como actriz durante más de una década cuando ganó notoriedad como una recién llegada prometedora en Mulholland Drive (2001), ganadora del premio del Festival de Cine de Cannes de David Lynch. Nacida el 28 de septiembre de 1968, Watts comenzó a actuar en su adolescencia y obtuvo su primer papel en una película en For Love Alone (1986). Posteriormente, Watts apareció con las futuras cabezas de cartel de Hollywood, Nicole Kidman y Thandie Newton, en Flirting (1991), el encantador romance adolescente de John Duigan. La siguiente película de Watts con Duigan, Wide Sargasso Sea (1992), no fue tan bien recibida.

Después de probar por primera vez Hollywood con el homenaje a la película Matinee (1992), de Joe Dante, Watts consiguió un papel protagónico como la estudiante perturbada de Jimmy Smits en el drama judicial poco visto de George Miller, Gross Misconduct (1993). Watts luego interpretó a Jet Girl en Tank Girl de Lori Petty (1995), pero la fantasía de ciencia ficción sufrió un destino ignominioso en la taquilla.

Después de una serie de películas para televisión y thrillers, incluidos Sleepwalkers (1997) y Children of the Corn IV (1996), Watts apareció en la elegante cortesana veneciana de Marshall Herskovitz, Dangerous Beauty (1998) y en el exitoso docudrama televisivo The Hunt for the Unicorn Killer. (1999).

El gran avance de Watts finalmente llegó cuando David Lynch la eligió para su programa piloto de ABC, Mulholland Drive. Aunque ABC canceló el proyecto en 1999 después de que Lynch presentara un trabajo típicamente empapado de humor, StudioCanal financió su transformación en un largometraje que debutó con gran éxito en Cannes en 2001. Un paisaje de ensueño de Los Ángeles similar a Lost Highway, Mulholland Drive presentaba a Watts como la rubia la mitad de un dúo femenino atrapado en un misterio de identidades cambiantes. Atrayendo la atención por su escena de amor televisiva no para la red con la coprotagonista Laura Harring, Watts también recibió elogios como una "nueva" actriz en ascenso. Aunque fue ignorada para una nominación al Oscar, la doble actuación espectacular de Watts le valió numerosos elogios y premios de la crítica, lo que encendió su carrera.

Trabajando constantemente a raíz de Mulholland Drive, Watts obtuvo un éxito tanto de taquilla como de crítica un año después con The Ring (2002), la nueva versión de Hollywood del éxito de taquilla de terror japonés. Protagonizada por Watts como un intrépido reportero que investiga los orígenes de una cinta de video letal, The Ring superó las dudas del estudio para convertirse en un éxito durmiente, consolidando el nuevo estatus de estrella de Watts. Posteriormente, Watts se vistió con ropa de época para el western de Showtime The Outsider (2002) y coprotagonizó junto a su compañero australiano Heath Ledger The Kelly Gang (2003).

Equilibrando su trabajo de género con una tarifa potencialmente más embriagadora guiada por directores notables, Watts también apareció con Kate Hudson, Glenn Close y Stockard Channing en la comedia romántica de Merchant-Ivory Le Divorce (2003), y ganó un papel principal junto a los formidables actores Sean Penn y Benicio Del Toro en 21 gramos (2003) de Alejandro González Iñárritu.