La carrière de Noémie Merlant commence alors qu’elle est inscrite au cours Florent. Pendant sa formation, elle participe à des courts métrages (Stare, Parigi). Toujours étudiante, elle est révélée au grand public en donnant la réplique à Melvil Poupaud dans L’ORPHELINE AVEC EN PLUS EN BRAS EN MOINS de Jacques Richard.
L’actrice enchaîne les projets. En 2016, elle est à l’affiche de trois films : DIEUMERCI!, A TOUS LES VENTS DU CIEL (dont elle interprète également la BO) et LE CIEL ATTENDRA. Pour ce rôle, celui d’une adolescente enrôlée par l’Etat islamique, elle reçoit une nomination au César du meilleur espoir féminin.
Noémie Merlant joue ensuite notamment dans PORTRAIT DE LA JEUNE FILLE EN FEU, puis dans LES OLYMPIADES de Jacques Audiare en 2021. Portrait de la jeune fille en feu, puis dans Les Olympiades de Jacques Audiard en 2021. Cette même année, elle réalise MI UBITA MON AMOUR. Le public la retrouve ensuite dans des films tels que LES AMES SOEURS d’André Téchiné ou encore UNE ANNÉE DIFFICLE de Eric Toledano et Olivier Nakache en 2023. Le dernier film qu’elle réalise, LES FEMMES AU BALCON, est présenté en séance de minuit au Festival de Cannes 2024. Fin septembre 2024, la comédienne est à l’affiche du film EMMANUELLE.