Уотс е дъщеря на актриса и мениджър на британската рок група Pink Floyd. Родителите ѝ се развеждат, когато тя е на 4 години, а баща ѝ загива трагично, когато тя е на 7, точно преди родителите ѝ да дадат втори шанс на брака си. „Преди смъртта си баща ми не беше спестил пари, а предполагам, че и майка ми не е имала такива. Така че те, групата, дадоха на майка ми няколко хиляди долара, за да помогнат да си стъпим на краката“, спомня си Уотс. След това семейството ѝ води номадски живот в Англия, принуждавайки Наоми да смени училището 9 пъти. Този начин на живот продължава няколко години преди да се преместят и установят в Австралия, когато Наоми е на 14 години.