Waterston wurde in Westminster, London, als Tochter des Schauspielers Sam Waterston und eines ehemaligen Models geboren. Nach einer Schauspielausbildung an der Tisch School of the Arts der New York University begann sie ihre Karriere auf der Leinwand und trat später in mehreren Independent-Filmen auf.

Ende der 2000er Jahre zog Waterston nach Los Angeles, wo sie auf der Theaterbühne stand und auch kleine Rollen in den Filmen „Taking Woodstock“ und „Being Flynn“ spielte. 2012 trat sie in mehreren Episoden der HBO-Serie „Boardwalk Empire“ auf. Ihren Durchbruch hatte sie mit einer Nebenrolle im Film „Inherent Vice“ von 2014, die ihr eine Nominierung für den Satellite Award einbrachte. Danach erhielt sie eine Hauptrolle neben Elisabeth Moss im Film „Queen of Earth“ sowie die Rolle der Ex-Frau des Protagonisten im Biopic „Steve Jobs“.

2016 spielt Waterston die weibliche Hauptrolle im Film „Phantastische Tierwesen und wo sie zu finden sind“, einem Spin-off der Harry-Potter-Filmreihe. Der Film kam am 18. November 2016 in die Kinos. Eine weitere Hauptrolle erhielt sie in Ridley Scotts Film „Alien: Covenant“, der Fortsetzung von „Prometheus“.