Родился в Риме, в семье художников. Позднее они переехали в Лондон, где Уотерхаус прожил всю оставшуюся жизнь. Сначала его обучал живописному мастерству отец, а в 1870 году юноша поступил в Королевскую Академию художеств.
В ранних работах чувствуется влияние Альма-Тадема и Фредерика Лейтона. В 1874 году, в возрасте двадцати пяти лет, на выставке появилась картина Уотерхауса «Сон и его сводный брат Смерть» (англ. Sleep and His Half-Brother Death), которая очень понравилась критикам и впоследствии выставлялась практически каждый год, вплоть до смерти художника в 1917 году. В 1883 году Уотерхаус женился на художнице Эстер Кенуорти, чьи картины тоже появлялись на выставках Королевской Академии. У них было двое детей, которые рано умерли, но, несмотря на это, брак был счастливым.
В 1895 году Уотерхаус был избран членом Королевской академии, а в 1917 году умер от рака. Похоронен на кладбище Кенсал Грин(Лондон).
Одной из самых известных картин Уотерхауса считается «Леди из Шалот», посвященная Лилейной деве из Астолата. Элейн или Лилейная дева (англ. Lily Maid of Astolat) — персонаж из легенд о короле Артуре, девушка, умершая от неразделённой любви к Ланселоту в одной из поэм Теннисона. Уотерхаус создал три разных версии этой картины: в 1888, в 1896 и в 1916.
Он также любил изображать Офелию. На одной из таких картин (1888—1889) Офелия показана как раз перед смертью, сидящей возле озера. Другие «Офелии» появились в 1894 и 1909—1910 годах.
«Судьба», 1900
«Психея открывает дверь в сад Эроса», 1904
«Психея открывает золотой ларец», 1903
«Душа розы», 1908
«Святыня», 1895
«Ламия», 1905
«Леди Клер», 1900
«A Female study», 1984