Etudiante en Lettres modernes et en cinéma, Noémie Lvovsky intègre en 1986 la Femis au département scénario, puis réalise deux courts-métrages avec Emmanuelle Devos, alors débutante : le très remarqué Dis-moi oui, dis-moi non (1989) puis Embrasse-moi. Elle collabore ensuite, comme scénariste, à deux réalisations de son camarade de promotion Arnaud Desplechin : La Vie des morts (le moyen-métrage qui le révéle au public en 1991) et La Sentinelle - pour lequel elle s'occupe également du casting, en 1992.

En 1993, Lvovsky signe son premier long-métrage, le brillant Oublie-moi, portrait d'une jeune femme tourmentée incarnée par Valeria Bruni Tedeschi. Après avoir travaillé avec Garrel sur le scénario du Coeur fantôme, elle tourne pour Arte Petites, récit de l'amitié qui unit quatre adolescentes dans les années 70. Prolongement de ce téléfilm, La Vie ne me fait pas peur, son deuxième long, débordant d'énergie et d'invention, lui vaut le Prix Jean-Vigo et le Léopard d'argent au Festival de Locarno en 1999.

Avec Les Sentiments (2003), le cinéma de Noémie Lvovsky accueille des acteurs chevronnés (Baye, Bacri), sans rien perdre de sa fougue ni de son originalité, saluées par le prix Louis-Delluc 2003. Quatre ans après ce beau succès public, elle signe Faut que ça danse !, un portrait de famille qui mêle fantaisie et émotion, avec Jean-Pierre Marielle et Valeria Bruni Tedeschi.

En 2001, la cinéaste fait ses premiers pas de comédienne dans Ma femme est une actrice d'Yvan Attal : sa composition de soeur obsessionnelle lui vaut une nomination au César du Meilleur second rôle. Amoureuse transie dans France boutique, elle apparait dans des films de cinéastes-amis qui exploitent avec bonheur son tempérament comique : Desplechin (Rois et reine), Berri (L' Un reste, l'autre part) ou Bruni Tedeschi (Actrices).

En 2009, Noémie Lvovsky est à l'affiche du premier film de Gad Elmaleh, Coco, et apparaît dans l'un des succès surprises de l'année, Les Beaux gosses, qui marque le passage derrière la caméra du créateur de BD Riad Sattouf : elle y campe la mère un peu trop envahissante d'un des deux héros. L'année suivante, elle joue à nouveau les seconds rôles savoureux dans Bus Palladium puis dans Ensemble, nous allons vivre une très, très grande histoire d'amour... de Pascal Thomas, avant de se tourner vers un registre plus dramatique avec Les Mains libres de Brigitte Sy, et Présumé coupable, en 2011 aux côtés de Philippe Torreton, qui revient sur le drame de l'affaire d'Outreau, à travers le calvaire de son huissier.

Après avoir fait partie du jury du festival du film asiatique de Deauville cette même année, elle joue dans plusieurs films revenant sur le ressenti féminin, comme 17 filles, premier long-métrage de fiction de Delphine et Muriel Coulin, et Les Adieux à la reine de Benoît Jacquot. Elle réalise en 2012 son cinquième long-métrage de cinéma, Camille redouble, dont elle est également la scénariste et la tête d'affiche, une première pour la cinéaste. Elle appartient cette même année au jury du festival de Locarno. 

Elle écrit pour Valeria Bruni-Tedeschi le scénario d'Un Château en Italie en 2013 mais ne rejoue pas pour la réalisatrice comme elle l'avait fait en 2007 pour Actrices. C'est dans des comédies qu'elle apparaît par la suite, notamment dans Adieu Berthe de Bruno Podalydès et Chez nous c'est trois, de Claude Duty où elle tient le premier rôle. Elle retrouve par la suite le réalisateur Riad Sattouf pour Jacky au royaume des filles. Egalement au casting de Week-ends et Tristesse club cette année-là, elle fait par ailleurs partie du jury de la section Cinéfondation et courts métrages pour le festival de Cannes 2014 et joue au théâtre de l'Odéon dans Le Tartuffe mis en scène par Luc Bondy.

Avec la comédie Tiens-toi droite, Noémie Lvovsky donne la réplique à Laura Smet et Marina Foïs. Après avoir joué des personnages secondaires dans Les Jours venus, Comme un avion et La Belle Saison, l'actrice campe le rôle-titre de Rosalie Blum, l'adaptation de la bande-dessinée du même nom créée par Camille Jourdy. Elle poursuit avec l'original chronique familiale Demain et tous les autres jours, qu'elle écrit et réalise, et prend part à l'ambitieux film historique Un peuple et son roi de Pierre Schoeller. En 2018, elle retrouve la comédienne et réalisatrice Valeria Bruni Tedeschi pour Les Estivants, s'inspirant de la propre histoire de cette dernière. 

Aimant jouer dans des comédies sociales, comme sa prestation dans Les Invisibles en témoigne, Noémie Lvovsky entame l'année 2020 avec la comédie féministe La Bonne épouse et le drame sur la prostitution Filles de joie, qui sortent à une semaine d'intervalle.