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Watts hatte 2001 ihren Durchbruch in David Lynchs Thriller "Mulholland Drive". Lynch (1946 - 2025) und Watts arbeiteten nach "Mulholland Drive" für die Kurzfilm-Serie "Rabbits" (2002) sowie die dritte Staffel der Serie "Twin Peaks" (2017) zusammen. Die Schauspielerin war unter anderem auch in Peter Jacksons Neuverfilmung von "King Kong", Tom Tykwers "The International" und Filmen wie "Birdman", "Schloss aus Glas" oder "The Book of Henry" zu sehen. Die erste Oscar-Nominierung erhielt sie 2004 für ihre Rolle in "21 Gramm", eine weitere 2013 für ihren Part in "The Impossible".
2023 heiratete Watts ihren langjährigen Partner und Kollegen Billy Crudup. Die beiden hatten sich am Set der Netflix-Thrillerserie "Gypsy" aus dem Jahr 2017 kennengelernt. Vor ihrer Beziehung mit Crudup war Watts viele Jahre mit dem Schauspieler Liev Schreiber zusammen, mit dem sie zwei Kinder hat.