Etudiante en Lettres modernes et en cinéma, Noémie Lvovsky intègre en 1986 la Femis au département scénario, puis réalise deux courts-métrages avec Emmanuelle Devos, alors débutante : le très remarqué Dis-moi oui, dis-moi non (1989) puis Embrasse-moi. Elle collabore ensuite, comme scénariste, à deux réalisations de son camarade de promotion Arnaud Desplechin : La Vie des morts (le moyen-métrage qui le révéle au public en 1991) et La Sentinelle - pour lequel elle s'occupe également du casting, en 1992.
En 1993, Lvovsky signe son premier long-métrage, le brillant Oublie-moi, portrait d'une jeune femme tourmentée incarnée par Valeria Bruni Tedeschi. Après avoir travaillé avec Garrel sur le scénario du Coeur fantôme, elle tourne pour Arte Petites, récit de l'amitié qui unit quatre adolescentes dans les années 70. Prolongement de ce téléfilm, La Vie ne me fait pas peur, son deuxième long, débordant d'énergie et d'invention, lui vaut le Prix Jean-Vigo et le Léopard d'argent au Festival de Locarno en 1999.
Avec Les Sentiments (2003), le cinéma de Noémie Lvovsky accueille des acteurs chevronnés (Baye, Bacri), sans rien perdre de sa fougue ni de son originalité, saluées par le prix Louis-Delluc 2003. Quatre ans après ce beau succès public, elle signe Faut que ça danse !, un portrait de famille qui mêle fantaisie et émotion, avec Jean-Pierre Marielle et Valeria Bruni Tedeschi.
En 2001, la cinéaste fait ses premiers pas de comédienne dans Ma femme est une actrice d'Yvan Attal : sa composition de soeur obsessionnelle lui vaut une nomination au César du Meilleur second rôle. Amoureuse transie dans France boutique, elle apparait dans des films de cinéastes-amis qui exploitent avec bonheur son tempérament comique : Desplechin (Rois et reine), Berri (L' Un reste, l'autre part) ou Bruni Tedeschi (Actrices).
En 2009, Noémie Lvovsky est à l'affiche du premier film de Gad Elmaleh, Coco, et apparaît dans l'un des succès surprises de l'année, Les Beaux gosses, qui marque le passage derrière la caméra du créateur de BD Riad Sattouf: elle y campe la mère un peu trop envahissante d'un des deux héros. L'année suivante, elle joue à nouveau les seconds rôles savoureux dans Bus Palladium puis dans Ensemble, nous allons vivre une très, très grande histoire d'amour... de Pascal Thomas, avant de se tourner vers un registre plus dramatique avec Les Mains libres de Brigitte Sy, et Présumé coupable aux côtés de Philippe Torreton, qui revient sur le drame de l'affaire d'Outreau, à travers le calvaire de son huissier.