Noémie Merlant empezó en su adolescencia en el modelaje, lo que le permitió aprender inglés y viajar por el mundo. Comenzó su carrera como actriz en 2008, en la película Death in Love, de Boaz Yakin. Interpretó a Mathilde en The moon child (2011), de Delphine Gleize y participó en numerosos cortometrajes. El director Jacques Richard le confió el papel principal de Eleonore en L'orpheline avec en plus un bras en moins (2011), lo que se convirtió en su primer protagónico. Tambien en 2011 dio sus primeros pasos en televisión en algunas series policiacas y en el teatro en un amplio rango de personajes y géneros. En 2016 trabajó bajo la dirección de Marie-Castille Mention-Schaar en El cielo esperará, película que la impulsa definitivamente dentro de la pequeña familia del cine francés al llevarla a ser nominada al César a la Actriz más prometedora. El 2019 fue un año importante para Merlant pues protagonizó dos filme importantes: Cuirosa de Lou Jeunet y Portrait of a Lady on Fire de Céline Sciamma.