„Watebutle“ („Wohnsitz eines Wato“ oder „feuchter Wohnsitz“) wird 1170 bzw. 1195 im Zusammenhang mit Landbesitz des braunschweigischen Cyriakus-klosters erstmals urkundlich erwähnt. 1318 erhielt die Familie von Bortfeld das Dorf, mit Ausnahme eines Hofes, und die Mühle als Lehen. Die Namensendung „-büttel“ deutet auf eine frühmittelalterliche Grundherrensiedlung hin.

Der Siedlungskern (1) lag wohl im Gebiet der heutigen Straße „Am Okerdüker“, dominiert vom kleinen Kirchhügel. Bei der Belagerung Braunschweigs 1671 durch Herzog Rudolf August wurde die Kirche Watenbüttels innen völlig zerstört. Um 1803 wurde sie wegen Baufälligkeit abgebrochen.

Die heutige schlichte Kirche (2) entstand 1804/05 nach Plänen des Herzoglichen Cammerbaumeisters Heinrich Ludwig Rothermundt in klassizistischem Stil. Sie besitzt eine vollständig erhaltene Altarkanzelwand im selben Stil.

Der heutige Hof Schrader (3), Celler Heerstraße 314, war im 16. Jahrhundert Wohnsitz von Hans Jürgen „Spinnrad“, Bildhauer und Erfinder.

Zwei Kilometer nordwestlich von Watenbüttel liegt das Gut Steinhof, das 1326 erstmals urkundlich erwähnt wird. Seit 1893 ist es Rieselgut der Stadtentwässerung Braunschweigs. Hier befindet sich auch das 1984 gegründete Landtechnik-Museum.

Nördlich des Dorfes liegt der Okerdüker (4), mit dem der Fluss den Mittellandkanal unterquert. Dieser Düker war bei der Fertigstellung 1932 der größte Europas.

Unmittelbar südlich von Watenbüttel liegt die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (5), das nationale Zentrum für präzises Messen.

1974 wurde Watenbüttel in die Stadt Braunschweig eingemeindet.