I 2001 var Watts med i David Lynchs psykologiske thriller , til tross for at Lynch ikke hadde sett noe av arbeidet hennes. Hun fikk svært mye ros for rolleskildringen i filmen. Filmen regnes ofte som startskuddet til Naomis karrière. Hun var med i den høyst suksessfulle, amerikanske nyinnspillingen av , en japansk skrekkfilm. I 2004 fikk hun en Oscarnominasjon for beste kvinnelige hovedrolle for innsatsen i Alejandro González Iñárritus dramafilm . Hun gjentok denne bragden i 2013 for prestasjonen sin i dramafilmen , som var basert på tsunamien som traff Thailand i 2004.