Centre Joseph, 25, som har gjort 16 försök i 58 framträdanden för Bath, har tak 25 gånger av sitt land.
Den senaste av hans nio England försök kom på turnén till Australien, där han spelade med Watson.
Mångsidig tillbaka Watson, 22, har 12 försök från hans 67 matcher för Bath och 24 kapsyler för hans land.
Paret gick båda med från London Irish 2013 och började i 2015 års Premiership final, där de förlorade till Saracens.
Förra säsongen slutade dock Blue, Black och Whites nionde och misslyckades med att kvalificera sig för den europeiska Champions Cup.
Bath första lag tränare Toby Booth sade: "Jag har känt både Jonathan och Anthony under en lång tid nu, och jag är verkligen glad att de har engagerat de riktigt viktiga åren av sina karriärer till klubben.
"De är båda exceptionellt begåvade spelare som eftersom få större internationell erfarenhet har mycket mer av en positiv effekt på gruppen - både på och utanför planen."
Englands internationella Jonathan Joseph och Anthony Watson har tecknat nya Bath-kontrakt och håller dem kvar på Premiership-sidan fram till åtminstone 2019.