Watts ble født i England, der hun bodde til hun var åtte år gammel. Foreldrene hennes, Peter og Myfanwy Watts, skilte seg da hun var fire år gammel. Naomis far var lydtekniker og turnéleder for Pink Floyd; han sluttet å jobbe for bandet i 1974, og giftet seg på nytt i 1976. I august 1976 ble han funnet død, og det ble antatt at han døde av en overdose heroin. Naomi Watts har selv beskrevet sin mor som «en hippie med passiv-aggressive tendenser». Etter at Peter Watts døde flyttet Naomis mor med barna til Llangefni (mer nøyaktig: Llanfawr Farm), i det nordlige Wales. Der bodde de hos Naomis morfar og mormor, Hugh og Nikki Roberts. Selv om moren flyttet hit og dit, mest for å flytte sammen med nye kjærester, endte Naomi alltid opp med å flytte tilbake til Llangefni. Der bodde hun til hun var 14 år.