Après avoir échoué plusieurs fois à son baccalauréat, Philippe Noiret prend des cours d'art dramatique et entre en 1953 au Théâtre National Populaire dirigé par Jean Vilar. Il y connaît la vie de troupe pendant sept ans, côtoie Gérard Philipe, interprète plus de quarante rôles et y rencontre l'actrice Monique Chaumette, qu'il épousera en 1962. Parallèlement, il forme un duo comique de cabaret avec Jean-Pierre Darras, loin des pièces classiques du TNP.

Il tient un premier rôle au cinéma en 1956 dans La Pointe courte d'Agnès Varda, mais doit attendre 1960 pour apparaître à nouveau sur grand écran dans Zazie dans le métro de Louis Malle. Hormis son rôle dans Therese Desqueyroux de Georges Franju en 1962, Philippe Noiret enchaîne des seconds rôles sans percer jusqu'à La Vie de château de Jean-Paul Rappeneau, en 1966. Mais c'est le personnage de paysan rêveur et bucolique d'Alexandre le Bienheureux, réalisé par Yves Robert, qui le fait remarquer des professionnels et du grand public en 1967, au point de pouvoir se consacrer exclusivement au cinéma et d'abandonner le théâtre.

Conscient qu'il ne tiendra jamais des rôles de jeune premier, le comédien enchaîne les apparitions en Monsieur Tout-le-monde (La Vieille fille, 1971), n'hésitant pas à bousculer son image bonhomme avec des longs-métrages polémiques comme La Grande Bouffe de Marco Ferreri, récit d'un suicide collectif par la nourriture qui provoque un véritable scandale à Cannes en 1973. Il se fait une spécialité des personnages de composition, avec une prédilection pour certains réalisateurs comme Bertrand Tavernier (L' Horloger de Saint-Paul, 1973; Que la fete commence, 1974), Yves Boisset (L' Attentat, 1972; Un taxi mauve, 1977), ou encore Philippe de Broca (Les Caprices de Marie, 1970; Tendre poulet, 1977).

Philippe Noiret passe au statut de star hexagonale grâce à l'immense succès populaire du Vieux Fusil de Robert Enrico qui lui vaut un César du Meilleur Acteur en 1976. Mais le comédien n'abandonne pas pour autant son goût de la composition, nuançant d'une pointe d'humanité ses rôles de salaud (Coup de torchon, 1981), ou de perversité ses personnages de bourgeois honorables (Le Temoin, 1974).

Il suit par ailleurs une carrière en Italie, principalement sous la direction de Mario Monicelli (Mes chers amis, Pourvu que ce soit une fille), et devient la figure incontournable des comédies françaises à succès dans les années 80 et 90 avec Twist again à Moscou de Jean-Marie Poiré et surtout Les Ripoux de Claude Zidi, en 1984. Le succès de ce film donne lieu cinq ans plus tard à une suite intitulée Ripoux contre ripoux, et le tandem de flics formé par Noiret et Thierry Lhermitte remettra le couvert en 2003 pour Ripoux 3, du même réalisateur. L'acteur remporte son second César en 1990 pour La Vie et rien d'autre et figure même en haut de l'affiche de productions internationales comme Cinema Paradiso (1988).

Moins sollicité par le cinéma au milieu des années 90, Philippe Noiret remonte sur les planches en 1997 dans Les Cotelettes de Bertrand Blier puis joue dans l'adaptation cinématographique de la pièce en 2003, toujours signée Blier. Mais c'est en jouant la même année le rôle d'un père tendre et maladroit sous la direction de Michel Boujenah dans Père et fils qu'il renoue, à 73 ans, avec le succès. En 2005, il est à l'affiche de la comédie policière Edy, portée par François Berléand.