Siempre había estado interesada en la actuación y aunque su primera solicitud para ingresar a la escuela de actuación fue rechazada, siguió perseverando y pasó varios años en obras de teatro de la Royal Shakespeare Company donde trabajó entre 1990-96.

La primera aparición de Watson en la pantalla grande fue en 1996 en la película Breaking the Waves, dirigida por el danés Lars von Trier. En Breaking the Waves Watson interpretó a Bess McNeil, una mujer ciegamente enamorada de su marido hasta el punto de someterse a cualquier cosa con tal de demostrar su amor. Este drama le valió dos nominaciones como mejor actriz para el Globo de Oro y el Oscar.

En 1997 Watson regresó al cine con The Mill on the Floss, The Boxer y Metroland. En 1999, otra vez como en 1996, Watson fue nominada para un Oscar como mejor actriz por su interpretación de la chelista británica Jacqueline du Pré en la película Hilary and Jackie. En 1999 actuó en Cradle Will Rock, estrenada en España como Abajo el telón, dirigida por Tim Robbins, y Las cenizas de Ángela, adaptación de la novela Angela's Ashes escrita por Frank McCourt y ganadora de un Premio Pulitzer.

A lo largo de su carrera Watson ha alternado filmes de directores de culto, como Robert Altman (Gosford Park) y Alan Parker (Las cenizas de Ángela), con otros más comerciales, de directores como Tim Burton (Corpse Bride) y Steven Spielberg (War Horse). En 2002 intervino en Red Dragon, filme perteneciente a saga fílmica sobre el personaje de Hannibal Lecter.

En 2010, encarnando a la trabajadora social Margaret Humphreys en Oranges and Sunshine1​recibió varios premios por su labor. Watson se casó con Jack Waters, en 1995 y su hija Juliet, nació en 2005 seguida por Dylan en 2008. Watson recibió el Premio Donostia en la edición de 2015 del Festival de Cine de San Sebastián en reconocimiento a su carrera.