Waterston est née à Westminster, Londres, dans la famille de l'acteur Sam Waterston et d'une ancienne mannequin. Après avoir étudié le métier d'acteur à la Tisch School of the Arts de l'Université de New York, elle a commencé sa carrière à l'écran et est ensuite apparue dans plusieurs films indépendants.

À la fin des années 2000, Waterston s'est installée à Los Angeles, où elle s'est produite sur scène et a également joué de petits rôles dans les films « Taking Woodstock » et « Being Flynn ». En 2012, elle est apparue dans plusieurs épisodes de la série HBO « Boardwalk Empire ». La percée de sa carrière a été un rôle secondaire dans le film de 2014 « Inherent Vice », qui lui a valu une nomination aux Satellite Awards. Par la suite, elle a obtenu un rôle principal aux côtés d'Elisabeth Moss dans le film « Queen of Earth », ainsi que le rôle de l'ex-épouse du personnage principal dans le biopic « Steve Jobs ».

En 2016, Waterston tient le rôle principal féminin dans le film « Les Animaux fantastiques et où les trouver », spin-off de la série de films Harry Potter. Le film est sorti en salles le 18 novembre 2016. Elle a également obtenu un autre rôle principal dans le film de Ridley Scott « Alien: Covenant », suite de « Prometheus ».