Originaire de Paris, Nora Arnezeder s'installe à l'âge de deux ans avec ses parents à Aix-en-Provence, puis douze ans plus tard, se rend à Bali pour une année. Depuis sa plus tendre enfance, elle prend des cours de comédie allant jusqu'à répéter des scènes avec sa soeur. Initiée au jazz par son père, elle se découvre également une passion pour le chant. Ses références musicales vont de Stacey Kent à Quincy Jones en passant par Katie Melua, Billie Holliday et Sarah Vaughan.

A son retour à Paris, elle suit des cours à l'Académie Internationale de Danse, de Chant et de Théâtre, puis effectue plusieurs stages de comédie au cours Florent, chez Pygmalion et avec Jacques Walzer. Apparue dans Les Deux mondes (2007) et les séries R.I.S. Police Scientifique et Commissaire Valence, elle se présente au casting de Faubourg 36 et décroche, après une audition chant et des essais comédie sur la scène de l'Elysée Montmartre, le rôle tant convoité de la belle Douce, "LA" voix de cette fresque musicale signée Christophe Barratier.

Après un intermède "mannequinat" dans lequel elle est l'égérie du parfum Idylle de Guerlain (elle y chante d'ailleurs dans cette publicité), on la retrouve en 2011 sous la conduite de Pascale Pouzadoux pour La Croisière. La belle connait par la suite une année 2012 assez intense puisqu'on la découvre Outre-Atlantique dans les bras de Ryan Reynolds pour Sécurité Rapprochée et poursuivie par l'effrayant Elijah Wood dans le très gore Maniac.

A l'aise dans les fresques historiques, Nora porte en fin d'année 2013 le film Angélique, nouvelle adaptation du roman d'Anne et Serge Golon. L'année suivante, elle revient à la comédie avec Fiston, dans lequel ses partenaires sont Kev Adams et Franck Dubosc.