John William Waterhouse nació en Roma en 1849, hijo de los pintores ingleses William e Isabella Waterhouse, quienes vivían temporalmente en Italia por motivos artísticos. Fue bautizado el 6 de abril de ese año en la iglesia anglicana All Saints, aunque se desconoce la fecha exacta de nacimiento. Su familia, de fuerte tradición artística, lo apodó “Nino” desde pequeño, y con ese nombre fue conocido en su entorno íntimo durante toda su vida. En 1854, cuando John William tenía unos cinco años, la familia regresó a Inglaterra y se estableció en el área de South Kensington, en Londres, una zona vinculada al desarrollo de instituciones culturales como el South Kensington Museum (futuro Victoria and Albert Museum).
Durante su infancia y adolescencia, Waterhouse mostró un temprano talento para el dibujo. Solía copiar esculturas del British Museum y obras de la National Gallery, lo que constituyó su primera formación autodidacta. Hacia 1870 o 1871 ingresó en las escuelas de arte de la Royal Academy, donde inicialmente estudió escultura, aunque pronto se volcó por completo a la pintura. Esta etapa de formación estuvo influida por artistas establecidos como Lawrence Alma-Tadema y Frederic Leighton, cuyas obras admiraba.
En 1874 expuso por primera vez en la Royal Academy con "Sueño y su hermanastro Muerte", que fue bien recibida por la crítica. Desde entonces participó en casi todas las exposiciones anuales de la institución hasta 1916, con excepción de 1890 y 1915. En paralelo, mantuvo actividad en otros salones y círculos artísticos. Ingresó en el Royal Institute of Painters in Watercolour en 1883, del que dimitió en 1889, sin que se hayan documentado las razones. En 1885 fue elegido miembro asociado de la Royal Academy y, en 1895, académico de pleno derecho. Su carrera gozó de reconocimiento institucional y de un cierto prestigio comercial, consolidado por adquisiciones como las del magnate Henry Tate, quien compró "El círculo mágico" en 1886 y "La dama de Shalott" en 1888.
Ese mismo año, 1883, contrajo matrimonio con Esther Kenworthy, hija de un maestro de dibujo en Ealing. Esther también se dedicaba a la pintura, aunque sin alcanzar notoriedad pública. La pareja no tuvo hijos. Vivieron primero en el número 3 y luego en el 6 de Primrose Hill Studios, un conjunto de viviendas-talleres en Londres. Más tarde, hacia 1900, se mudaron a St John’s Wood, un barrio con fuerte presencia artística. Allí, Waterhouse participó activamente en el club local de arte, enseñó en la escuela del distrito y formó parte del consejo directivo de la Royal Academy.
Durante toda su carrera mantuvo una producción regular, incluso en sus últimos años. En 1900 presentó "La sirena" como obra de diploma para la Royal Academy. En 1916, pese a estar ya gravemente enfermo, continuaba exhibiendo obras, entre ellas "Miranda" (inspirada en La tempestad de Shakespeare) y una versión de "Tristán e Isolda". Se le diagnosticó cáncer en 1915, pero continuó pintando hasta poco antes de su muerte, ocurrida el 10 de febrero de 1917. Fue enterrado en el cementerio de Kensal Green, en Londres. Su esposa Esther le sobrevivió hasta 1944