Noémie Merlant se passionne très jeune pour le chant, la musique et la danse. Après avoir obtenu son BAC, la jeune femme se lance dans le mannequinat en déménageant sur Paris. Elle commence par travailler pour de prestigieuses agences de mannequins et voyage à travers le monde. Après cette expérience, Noémie poursuit des études de comédie au Cours Florent entre 2007 et 2011. La jeune actrice fait ses débuts au cinéma cette même année dans La permission de minuit de Delphine Gleize, un drame où elle croise la route de Vincent Lindon et d’une autre comédienne prometteuse, Solène Rigot.

L’année suivante, Noémie est repérée par le cinéaste Jacques Richard qui lui confie le rôle principal de son film en costumes L’Orpheline avec en plus un bras en moins. Elle y campe Eléonore, une superbe jeune fille d’une vingtaine d’années, qui a perdu ses parents et un bras dans un accident. Ce rôle lui vaut une pré-sélection pour le César du Meilleur espoir féminin en 2013. Noémie passe ensuite par la case petit écran avec des apparitions dans Julie Lescaut ou Enquêtes réservées avant de squatter à nouveau le grand écran avec un petit rôle dans le film de Kim Chapiron, La Crème de la Crème en 2014.

Cette même année, la comédienne se révèle dans Les Héritiers, film très remarqué se basant sur l’histoire vraie d’une classe de lycée difficile tentant de passer un concours national d’Histoire. L’agenda 2016 de Noémie est très chargé ; en effet, on la retrouve notamment dans la comédie DieuMerci avec Lucien Jean-Baptiste et le drame poignant À tous les vents du ciel, dans lequel elle tient le rôle-titre, une adolescente qui perd toute sa famille dans un accident alors qu’ils passent leurs vacances en Afrique du Sud.

Elle nous gratifie également de sa superbe voix en interprétant « Fate », la chanson de la bande-originale du film. Après avoir prêté ses traits à Brigitte, une ado enceinte écorchée vive dans le téléfilm Elles… Les filles du Plessis, on retrouve la sensuelle Noémie dans Le Ciel attendra avec Sandrine Bonnaire. L'actrice y campe une jeune femme sombrant dans l'islam radical. Sa performance lui vaut une nomination au César du meilleur espoir féminin en 2017.

Noémie tourne ensuite sous la direction de Mélanie Laurent dans le drame Plonger avant de devenir la promise de Jean Dujardin dans la comédie en costumes Le Retour du héros... avec également Mélanie Laurent. En 2019, la comédienne joue de ses charmes incandescents dans Curiosa, film historique teinté d'érotisme mis en scène par Lou Jeunet. Elle y prête ses traits à la romancière Marie de Heredia. Après avoir aidé Guillaume Gouix à se réinsérer après un séjour en prison dans Les Drapeaux de papier, Noémie a rejoint Adèle Haenel dans Portrait de la jeune fille en feu réalisé par Céline Sciamma.

La comédienne donne ensuite la réplique à Emmanuelle Bercot dans l'atypique Jumbo, premier long-métrage de Zoé Wittock. Elle y campe Jeanne, une gardienne de nuit dans un parc d’attraction qui développe d'étranges sentiments amoureux envers l'attraction phare du parc. Elle retrouve ensuite Marie-Castille Mention-Schaar pour A Good Man, sur la transidentité, puis joue une femme solitaire se découvrant dans Les Olympiades, ballet érotico-amoureux en noir et blanc signé Jacques Audiard.

En 2022, Noémie tourne sous la direction de Louis Garrel dans L'Innocent et présente son premier long métrage à Cannes, Mi iubita mon amour. Elle y incarne aussi le personnage central, une femme rencontrant, en partant fêter son enterrement de vie de jeune fille en Roumanie, un homme dont elle s'éprend.

Vincent Formica