Élève de son père, peintre de Leeds, il commence à exposer dès 1870 et entre à l'école de la Royal Academy en 1871.
Ce maître de la peinture narrative combine deux influences : le préraphaélisme de Rossetti et Burne-Jones et le romantisme victorien. Ses premiers travaux sont tournés vers l'allégorie traitée sur un mode néoclassique (le Temple d'Esculape, 1877).
Puis il illustre les mythes classiques et les légendes (Naissance d'Adonis, 1899) et réalise des peintures d'après des poèmes de Keats, de Tennyson ou de Shakespeare (Marianne, femme du roi Hérode le Grand, 1887). Le début de sa phase poétique est marqué par la Dame de Shalott (1886, Londres, Tate Gal.).
Waterhouse possède un grand sens de la composition servi par une superbe technique et une maîtrise parfaite des effets dramatiques (la Tempête, 1916).
Il crée un style de beauté féminine hautaine, rêveuse et presque irréelle qui lui assure une grande popularité (Danaïdes, 1904).
