Hija de padre francés y madre de Reunión, Noémie fue descubierta por un antiguo modelo en septiembre de 1998, cuando compraba sellos en una oficina de correos local. Renunció a una vida muy tranquila en Gif-sur-Yvette para ir a llamar a la puerta de la agencia Ford de Nueva York. Sus ojos verdes y su belleza salvaje encantaron a los directores de casting. Su éxito fue inmediato: los grandes fotógrafos se fijaron en ella y apareció en las portadas de las ediciones francesas y americanas de Vogue, Elle, Marie Claire e incluso de la famosa Sports Illustrated. Noémie Lenoir también apareció en campañas publicitarias de Ralph Lauren, Gap, Gucci y muchas otras. En 2001 firmó un contrato con L'Oréal y subió la escalinata del Festival de Cannes acompañada por Laetitia Casta y Andie MacDowell. Consiguió un pequeño papel en Astérix y Obélix: Misión Cleopatra, de Alain Chabat, junto a Jamel Debbouze, y luego protagonizó Gomez & Tavarès. La supermodelo siguió en 2003 con Coup d'éclat, una película estadounidense protagonizada por Pierce Brosnan y Salma Hayek. En 2007, se reencontró con Chris Tucker en Rush Hour 3. Actualmente es imagen de Marks & Spencer y está representada en todo el mundo por Elite Model Management.