Après des études de lettres puis de cinéma, Noémie Lvovsky réalise un court-métrage très remarqué  : Dis-moi oui, dis-moi non.

Elle collabore en tant que scénariste et directrice de casting aux deux premiers films d'Arnaud Desplechin : La vie des morts et La sentinelle.

Dans les années 90, elle réalise son premier long-métrage : Oublie-moi, suivi de Petites pour Arte, et de La vie ne me fait pas peur, couronné par le Prix Jean-Vigo, le Léopard d'argent du Festival de Locarno en 1999 et le prix France Culture au Festival de Cannes 2000.

Elle collabore aussi aux scénarios de Philippe Garrel et Valéria Bruni-Tedeschi.

A partir de 2001, elle passe devant la caméra et joue, entre autres, dans Ma femme est une actrice d'Yvan Attal, Rois et Reine d'Arnaud Desplechin, L'apollonide, souvenirs de la maison close de Bertrand Bonello, La belle saison de Catherine Corsini, Rosalie Blum de Julien Rappeneau, Les invisibles de Louis Julien Petit, Les Estivants de Valéria Bruni-Tedeschi, La bonne épouse de Martin Provost. Et dernièrement L'envol de Pietro Marcello, qui ouvrira la Quinzaine des Réalisateurs du 75e festival de Cannes.

Elle écrit et réalise Les sentiments, couronné par le prix Louis Delluc 2003, écrit, réalise et joue dans Camille redouble, qui reçoit le prix SACD de la Quinzaine des Réalisateurs du festival de Cannes 2012, le prix Piazza Grande au Festival de Locarno et sera nommé 13 fois aux César. Demain et tous les autres jours est présenté aux festival de Locarno et Angoulême. Son dernier film La grande magie est sorti en  2023, long-métrage qu'elle a écrit, réalisé et dans lequel elle joue aux côtés de Denis Podalydès et Judith Chemla.

En 2021, Noémie Lvovsky joue pour la première fois sur la scène d’un théâtre dans Avant la retraite, pièce mise en scène par Alain Françon.