Noomi Rapace, de son vrai nom Noomi Noren, connaît une enfance mouvementée. Son père, un chanteur de flamenco espagnol, étant très peu présent, elle quitte la Suède pour l'Islande avec sa mère et son beau-père. Cette dernière, l'actrice Nina Norén, l'aide à décrocher un petit rôle muet dans la comédie Í skugga hrafnsins alors qu'elle n'a que sept ans. A 15 ans, la jeune Noomi retourne en Suède pour y suivre des cours de théâtre. Déterminée à entamer une carrière d'actrice, elle change ensuite de nom et prend le pseudonyme de Rapace, en hommage à l'oiseau de proie du même nom.

La jeune actrice doit malgré tout attendre près de 10 ans pour apparaître sur le petit écran, dans la série télévisée "Tre kronor" en 1996, avant de décrocher un rôle dans Sanning eller konsekvens de Christina Olofson. Après une adolescence punk et perturbée, elle décroche enfin différents petits rôles qui lui permettent de s'affirmer comme une valeur sûre du cinéma suédois avant d'obtenir le rôle titre de Daisy diamond en 2007, qui l'impose au niveau national.

A partir de 2009, sa carrière s'envole grâce à son interprétation de la dure hackeuse Lisbeth Salander dans l'adaptation cinématographique de la trilogie Millénium de Stieg Larsson, ainsi que dans sa version télévisée. Piercings, cours de kick-boxing, musculation, régime et attitude virile : Rapace fait ressurgir les démons de sa jeunesse au service d'une interprétation plus vraie que nature.

Après s'être battue pour obtenir le rôle, elle prouve ainsi l'étendue de son talent et sa performance traverse les frontières : désormais connue et reconnue à l'échelle mondiale, Noomi Rapace joue de sa réputation de dure à cuire pour enchaîner les rôles de femmes courageuses et indépendantes, teintées d'une pointe de virilité : Guy Ritchie fait ainsi appel à elle pour incarner une gitane, aventurière et téméraire, pour le second volet de son Sherlock Holmes (2011).

Faisant désormais partie des comédiennes les plus sollicitées, Noomi Rapace joue ensuite les scientifiques dans le Prometheus de Ridley Scott. Pour l'occasion, elle prête ses traits à Elizabeth Shaw, occupant ainsi un rôle similaire à celui de la chercheuse Ellen Ripley incarnée par Sigourney Weaver dans Alien. Rapace s'approprie son rôle en y ajoutant une touche personnelle : fidèle à son habitude, elle tient à faire de son personnage une femme "débrouillarde, obstinée et déterminée", à l'image de ses précédents rôles.

En parallèle de ces grosses productions, l'actrice continue de tourner dans des projets plus confidentiels en Scandinavie, que ce soit avec son ex-mari Ola Rapace dans le drame Beyond (2010), ou seule, dans Babycall (2012). La comédienne s'illustre ensuite dans Quand vient la nuit de Michael R. Roskam. Elle y donne la réplique à Tom Hardy, qu'elle retrouve en 2015 dans Enfant 44.

En 2017, Noomi Rapace campe les sept soeurs de Seven Sisters, un film d'anticipation qui se déroule dans un monde où la surpopulation a donné lieu à une politique d'enfant unique radicale. Fidèle à ses habitudes, la comédienne poursuit dans les registres du thriller et de l'action, comme ses prestations dans Conspiracy, Bright, Close, Angel of Mine et The Secrets We Keep en témoignent. Parallèlement, elle goûte à nouveau aux joies du petit écran en incarnant un agent secret dès la saison 2 de Jack Ryan.