Après avoir suivi les cours du Conservatoire de Versailles ainsi que la classe libre du célèbre Cours Florent, Jean-Noël Brouté débute sa carrière de comédien sur les planches. Il travaille notamment sous la direction du grand metteur en scène suisse Benno Besson, compagnon de route de Bertolt Brecht, qui monte la pièce "Mille francs de récompense" d'après l’œuvre de Victor Hugo. Il se tourne vers le cinéma dès le début des années 80 avec des petits rôles comme celui de l’élève dans la comédie signée Ariel Zeitoun : Souvenirs, souvenirs (1984).
En 1985, il se retrouve aux côtés de Victoria Abril, Fabrice Luchini et Pascal Bonitzer dans l’aventure de Pierre Zucca, Rouge-Gorge. Il tourne ensuite dans Casque bleu (1994) de Gérard Jugnot et s'invite en 1995 chez Une femme française, sous la direction de Régis Wargnier. Il est remarqué entre-temps par Bruno Podalydès : le cinéaste lui offre le rôle de Mathieu dans sa comédie Versailles rive gauche (1992), qui marque le début d'une série de collaborations. En effet, l’acteur fait partie de l’équipe de Dieu seul me voit en 1998, puis retrouve le même réalisateur en 2001 pour la comédie Liberté-Oléron, dans laquelle il campe un moniteur de voile désespéré de l'amateurisme de Jacques, alias Denis Podalydès. Leur collaboration se poursuivra notamment avec Bancs publics (Versailles rive droite) en 2009.
Après l'inclassable Mais qui a tué Pamela Rose ? (2003), il fait une incursion dans l'univers de Gaston Leroux avec Le Mystère de la chambre jaune, suivi par Le Parfum de la dame en noir, dans lequel il prête ses traits à Sainclair, le fidèle assistant de Rouletabille. Grand vainqueur des Césars en 2007 avec deux statuettes, et plébiscité par le public, le thriller Ne le dis à personne marque sa première expérience dans un genre autre que la comédie. Il accepte la même année de jouer dans le premier film de Marc Fitoussi : la comédie douce-amère La Vie d'artiste. Entre séries (Marie Besnard, l'empoisonneuse...), téléfilms (Longue Peine, La Danse de l'albatros ) et cinéma, Jean-Noël Brouté multiplie ses rôles et parvient à se faire connaître auprès du public. Il prête sa voix au film d’animation collectif Pleine Lune en 2008, puis apparaît chez Alain Resnais en interprétant le rôle de Mickey dans l’étonnant Les Herbes folles en 2009. Le réalisateur l'invitera à nouveau en 2012 pour Vous n'avez encore rien vu.
Fidèle aux comédies, Brouté donne la réplique à Thierry Lhermitte et à François Berléand dans Le Siffleur (2009) de Philippe Lefebvre, puis retrouve Jean-Paul Rouve et Richard Berry dans Le Coach (id.) d’Olivier Doran. Il amorce l’année 2012 par sa présence dans la comédie dramatique de Pierre Pinaud, Parlez-moi de vous, dans laquelle il partage l’écran avec Karin Viard. Il retrouve ensuite les frères Podalydès dans Adieu Berthe ou l'enterrement de mémé avant de se joindre à la grande équipe d’Astérix et Obélix: Au service de sa Majesté de Laurent Tirard, dans lequel il se retrouve aux côtés de Gérard Depardieu, de Fabrice Luchini et de Catherine Deneuve.