Noomi Norén 1979. december 28-án született a svédországi Hudiksvallban. Első szerepét hét évesen egy izlandi filmben, az In the Shadow of the Rawenben kapta. Tizenöt éves korától a Stockholm Theatre School falai között végezte színházi tanulmányait.

Színésznőként 1996-ban debütált a Tre Kronor című sorozatban. 1998 és 1999 között Skara Skolscen színvonalas színjátszó iskolájában tanult. Ezt követően különböző szinházakban tűnt fel, játszott a Theater Plaza, az Orionteatern, a Teater Galeasen és a Stockholms Stadsteater színpadán is.

Pályafutásának egyik mérföldkövét a Daisy Diamond (2007) című filmje jelentette, a tizenéves anya szerepében remeklő Noomit a dán szakma számos nívós díjjal jutalmazta.

Karrierjében az áttörést azonban a Stieg Larsson nemzetközi bestsellerén alapuló A tetovált lány - A korrupció és a gonoszság anatómiája (2009) hozta meg, melynek mindkét folytatásában (A lány, aki a tűzzel játszik – 2009, A lány, aki darázsfészekbe nyúlt – 2009) a címszereplő Lisbeth Salander szerepében láthattuk. 2010-ben szerepet kapott a Guy Ritchie rendezésében bemutatott Sherlock Holmes: Árnyjátékban (2011), valamit játszott Ridley Scott vegyes fogadtatású Prometheus (2012) című sci-fijében is.

Az elmúlt években olyan filmekben láthattuk, mint a Gyilkos vágyakban (2013) vagy a Bosszútól fűtve (2013).

2012-ben egy Rolling Stones Doom and Gloom című számához forgatott videoklipben is feltűnt.

2001-ben ment feleségül Ola Rapace svéd rendezőhöz, házasságuk azonban 2011-ben válással végződött.