Né à Brooklyn en 1969, Noah Baumbach découvre le cinéma dès son plus jeune âge, ses parents étant tous les deux critiques. Après des études à l’université Vassar, il réalise, à l’âge de vingt-six ans, son premier film Kicking and Screaming. Il est alors choisi par le magazine Newsweek comme l’une des "dix personnalités à suivre". Il signe l’année suivante Highball, une comédie sur deux jeunes mariés qui cherchent à s'élever socialement.

En 2004, il coécrit avec Wes Anderson le scénario de La Vie Aquatique. Mais c’est un an plus tard que Noah Baumbach rencontre véritablement le succès avec Les Berkman se séparent. En partie autobiographique, le long-métrage raconte la façon dont deux adolescents réagissent à l’annonce du divorce de leurs parents. Ces derniers sont interprétés par Laura Linney et Jeff Daniels qui reçoivent de nombreuses nominations pour leurs rôles. Le réalisateur quant à lui remporte deux prix au festival de Sundance.

Il dirige ensuite Nicole Kidman et Jennifer Jason Leigh dans Margot va au mariage. En 2009, il retrouve son ami Wes Anderson pour coscénariser le film d’animation Fantastic M. Fox. La même année, Noah Baumbach part à Los Angeles tourner Greenberg dans lequel Ben Stiller et Greta Gerwig forment un couple improbable. 

De retour à New York, Noah Baumbach s’associe à nouveau avec l’actrice pour écrire le scénario de son nouveau film Frances Ha, le récit initiatique d'une jeune femme qui voit peu à peu s'éloigner d'elle, sa meilleure amie et ses illusions. Il coscénarise également les nouvelles aventures des animaux parlants de Madagascar avec Madagascar 3 : Bons Baisers d'Europe. En 2014, l'atypique metteur en scène réalise While We're Young, une comédie grinçante sur le temps qui passe et pour laquelle il retrouve Ben Stiller.