Waterston nació en Westminster, Londres, en la familia del actor Sam Waterston y de una exmodelo. Después de formarse como actriz en la Escuela de Artes Tisch de la Universidad de Nueva York, comenzó su carrera en la pantalla y posteriormente apareció en varias películas independientes.

A finales de la década de 2000, Waterston se trasladó a Los Ángeles, donde actuó en el escenario teatral y también interpretó pequeños papeles en las películas «Taking Woodstock» y «Being Flynn». En 2012 apareció en varios episodios de la serie de HBO «Boardwalk Empire». El avance en su carrera fue el papel secundario en la película de 2014 «Inherent Vice», que le valió una nominación al premio «Satellite». Después de eso, obtuvo un papel principal junto a Elisabeth Moss en la película «Queen of Earth», así como el papel de la exesposa del protagonista en el biopic «Steve Jobs».

En 2016, Waterston interpreta el papel principal femenino en la película «Fantastic Beasts and Where to Find Them», spin-off de la serie de películas sobre Harry Potter. La película se estrenó el 18 de noviembre de 2016. Otro papel principal lo obtuvo en la película de Ridley Scott «Alien: Covenant», secuela de «Prometheus».