Dernier-né d'une famille nombreuse, Eduardo Noriega fréquente l'Ecole Dramatique de Santander puis l'Ecole Supérieure Royale de Madrid. Il fait sa première apparition à l'écran en 1995 dans Historias del Kronen. Cette année-là, il tourne aussi dans Luna, court métrage du débutant Alejandro Amenabar, qui deviendra son réalisateur fétiche, lui offrant en 1996 son premier grand rôle, celui d'un étudiant fan de cinéma gore dans Tesis, thriller sur l'univers trouble des snuff movies.

Après ce premier succès, le tandem récidive avec Ouvre les yeux en 1997, nouveau carton au box-office espagnol -qui fera l'objet d'un remake hollywoodien. Le comédien incarne cette fois un Don Juan défiguré après un accident de voiture, performance qui lui vaut une nomination au Goya (le César ibérique) du Meilleur acteur en 1999. Devenu une des coqueluches du cinéma espagnol, il joue le plus souvent dans des oeuvres sombres, du thriller (Jeu de roles, réalisé par Mateo Gil, le scénariste d'Amenabar) au fantastique (L'Echine du diable du Mexicain Guillermo Del Toro) en passant par le polar (Vies brûlées, en 2000, de l'Argentin Marcelo Pineyro, qu'il retrouvera en 2006 pour La Méthode.

Courtisé par le cinéma d'auteur, ce brun ténébreux donne la réplique (en français) à Anna Mouglalis dans le ludique et sensuel Novo de Jean-Pierre Limosin (2002) avant de tourner sur la côte catalane Les Mains vides de Marc Recha. Par ailleurs, Eduardo Noriega participe volontiers à des longs métrages qui abordent des questions politiques : lieutenant au Kosovo dans Guerreros, agent secret infiltré au coeur de l'ETA dans El Lobo (pour lequel il obtient une nouvelle nomination au Goya en 2004), il prête ses traits au legendaire Che Guevara dans le film homonyme de l'Américain Josh Evans (2005). Après avoir donné la réplique à Viggo Mortensen dans Capitaine Alatriste, il "internationalise" encore un peu plus sa carrière avec le Thriller britannique Transsiberian, et le film d'action américain Angles d'attaque.