Naomi avait déjà travaillé comme actrice pendant plus d'une décennie lorsqu'elle a été remarquée en tant que nouvelle venue prometteuse dans Mulholland Drive (2001), lauréat du Festival de Cannes de David Lynch. Née le 28 septembre 1968, Watts a commencé à jouer à l'adolescence, décrochant son premier rôle au cinéma dans For Love Alone (1986). Watts est ensuite apparu avec les futures têtes d'affiche hollywoodiennes Nicole Kidman et Thandie Newton dans la romance désarmante pour adolescents de John Duigan Flirting (1991). Le prochain film de Watts avec Duigan, Wide Sargasso Sea (1992), n'a pas été si bien accueilli.

Après son premier aperçu d'Hollywood avec Matinee (1992), l'hommage au film schlock de Joe Dante, Watts a décroché un rôle principal dans le rôle de l'élève perturbé de Jimmy Smits dans le drame d'audience peu vu de George Miller, Gross Misconduct (1993). Watts a ensuite joué le rôle de Jet Girl dans Tank Girl de Lori Petty (1995), mais le fantasme de science-fiction a subi un destin ignominieux au box-office.

Après une série de téléfilms et de thrillers, dont Sleepwalkers (1997) et Children of the Corn IV (1996), Watts est apparu dans la courtisane vénitienne costumée de Marshall Herskovitz, Dangerous Beauty (1998) et le docudrame télévisé à succès The Hunt for the Unicorn Killer. (1999).

La percée de Watts est finalement arrivée lorsque David Lynch l'a choisie dans son pilote ABC Mulholland Drive. Bien qu'ABC ait annulé le projet en 1999 après que Lynch soit devenu un travail typiquement trempé d'humeur, StudioCanal a financé sa transformation en un long métrage qui a fait ses débuts à Cannes en 2001. Un paysage de rêve de Los Angeles semblable à Lost Highway, Mulholland Drive a présenté Watts comme la blonde la moitié d'un duo féminin pris dans le mystère des identités changeantes. Attirant l'attention pour sa scène d'amour télévisée hors réseau avec sa co-star Laura Harring, Watts a également été saluée en tant que «nouvelle» actrice montante. Bien qu'ignoré pour une nomination aux Oscars, le double tour de force de Watts lui a valu de nombreuses distinctions et récompenses de la critique, enflammant sa carrière.

Travaillant régulièrement dans le sillage de Mulholland Drive, Watts a remporté un box-office ainsi qu'un succès critique un an plus tard avec The Ring (2002), le remake hollywoodien du blockbuster d'horreur japonais. Mettant en vedette Watts en tant que journaliste intrépide enquêtant sur les origines d'une bande vidéo mortelle, The Ring a surmonté les doutes du studio pour devenir un succès dormant, renforçant le statut de nouvelle star de Watts. Watts a ensuite enfilé une robe d'époque pour le western de Showtime The Outsider (2002), et pour co-vedette aux côtés de son compatriote australien Heath Ledger dans The Kelly Gang (2003).

Équilibrant son travail de genre avec des tarifs potentiellement plus entêtés guidés par des réalisateurs notables, Watts est également apparu avec Kate Hudson, Glenn Close et Stockard Channing dans la comédie romantique Merchant-Ivory Le Divorce (2003), et a remporté un rôle principal face aux formidables acteurs Sean Penn et Benicio. Del Toro dans 21 Grams d'Alejandro González Iñárritu (2003).