Noah Centineo se tourne vers la comédie en 2009 et débute ainsi sa carrière d’acteur dans le téléfilm d’aventure familiale Croc d’or. C’est à l’âge de 16 ans que l’adolescent quitte sa Floride natale pour tenter sa chance à Los Angeles. Il rejoint alors l’écurie Disney le temps de quelques apparitions dans les séries Austin et Ally, Shake It Up! et Jessie, ainsi que dans le téléfilm Le Garçon idéal (2014) diffusé sur Disney Channel. En 2013, on le retrouve également sur la chaîne adolescente Nickelodeon dans la comédie Marvin Marvin.

Enchaînant les rôles secondaires, le jeune acteur gagne en notoriété en 2015 lorsqu’il rejoint le casting de la série à succès The Fosters au cours de sa troisième saison. Il y reprend le rôle de Jesus Adams Foster remplaçant ainsi l’acteur Jake T. Austin après son départ de la série. Apprécié du public, il est nommé aux Teen Choice Awards en 2017. The Fosters se conclut après 5 saisons en 2018 mais les aventures de la célèbre famille recomposée continuent dans un spin-off - Good Trouble (2019) - centré sur les soeurs de Jesus, ce qui donne l’occasion à Noah Centineo de reprendre son rôle de façon ponctuelle. 

Entre temps, le comédien se tourne vers le thriller avec la série T@gged, dans laquelle il apparaît aux côtés de Katelyn Nacon (The Walking Dead), puis avec le long métrage Can’t Take It Back (2017). Le jeune homme s’essaie ensuite au genre qui le fera connaître, la comédie romantique, avec SPF-18 (2017), son premier rôle principal au cinéma. Il partage alors l’affiche avec la jeune Carson Meyer mais aussi les légendes Rosanna Arquette, Molly Ringwald, Goldie Hawn et Keanu Reeves.

C’est finalement en août 2018, à l’occasion de la sortie mondiale de la comédie romantique À tous les garçons que j’ai aimés sur Netflix, que la carrière de Noah Centineo décolle. Le film est un succès international et le monde tombe sous le charme du jeune acteur qui prête ses traits au désormais fameux Peter Kavinsky. Aux côtés de Lana Condor, Noah Centineo devient, du jour au lendemain, un véritable phénomène générationnel.

Son statut de coqueluche des jeunes est en effet confirmé le mois suivant lors de la sortie d’une seconde production Netflix, Sierra Burgess is a loser, dans laquelle il joue face à Shannon Purser (Stranger Things). Vu dans la comédie Swiped à la fin de l’année 2018, le comédien renoue avec la romance dans The Perfect Date (2019) auprès de Camila Mendes et Laura Marano. Il y incarne Brooks Rattigan, un jeune homme qui, en vue de collecter des fonds pour l’université, crée une application de rencontre dans laquelle il se propose en tant que petit-ami de remplacement pour tout type de situation.

Fort de son succès, Noah Centineo est annoncé en octobre 2018 au casting du reboot Charlie’s Angels (2019) réalisé par et avec Elizabeth Banks. Il y rejoint une équipe de choc composée de Kristen Stewart, Naomi Scott, Sam Claflin ou encore Patrick Stewart. Il renoue avec le rôle qui l'a fait connaître en 2020 et 2021 avec les deux autres volets de la trilogie À tous les garçons, P.S. Je t'aime toujours et Pour toujours et à jamais.

En 2022, il est à l'affiche du premier blockbuster de sa carrière avec Black Adam, film de super-héros DC Comics porté par Dwayne Johnson. Il y incarne Al Rothstein, membre de la Justice Society capable de modifier sa structure moléculaire pour grandir et devenir l'immense Atom Smasher. L'acteur est prochainement attendu dans la série d'espionnage Netflix The Recruit et à l'affiche de The Diary, nouvelle réalisation de Jackie Chan.