D'un père métropolitain et d'une mère originaire de la Réunion, Noémie est découverte par un ancien mannequin en septembre 1998, alors qu'elle achète des timbres dans un bureau de poste près de chez elle. Elle abandonne une vie très paisible à Gif-sur-Yvette pour aller frapper à la porte de l'agence Ford de New York. Ses yeux verts et sa beauté sauvage enchantent les directeurs de casting. C'est immédiatement le succès : les grands photographes se l'arrachent et la jeune femme pose en couverture des éditions françaises ou américaines des magazines Vogue, Elle, Marie Claire et même du célèbre Sports Illustrated. Noémie Lenoir apparaît également dans les campagnes publicitaires de Ralph Lauren, Gap, Gucci et bien d'autres.

En 2001, elle signe un contrat avec L'Oréal et monte les marches du festival de Cannes, en compagnie de Laetitia Casta et d'Andie MacDowell. Elle décroche au culot un petit rôle dans Astérix & Obélix : Mission Cléopâtre d'Alain Chabat, aux côtés de Jamel Debbouze, puis elle tourne dans Gomez & Tavarès. La top model enchaîne en 2003 avec Coup d'éclat, un film américain avec Pierce Brosnan et Salma Hayek. En 2007, elle retrouvera Chris Tucker dans Rush hour 3. Noémie est actuellement le visage de Marks & Spencer et elle est représentée dans le monde entier par Elite Model Management.