Noémie est découverte par un ancien mannequin en septembre 1998, alors qu'elle achète des timbres dans un bureau de poste près de chez elle. Elle abandonne une vie très paisible à Gif-sur-Yvette pour aller frapper à la porte de l'agence Ford de New York, persuadée qu'elle ferait plus vite carrière aux États-Unis, à condition de bien se débrouiller en langue anglaise.



Ses yeux verts et sa beauté sauvage enchantent les directeurs de casting. C'est immédiatement le succès : les grands photographes (comme Mario Testino et Peter Lindbergh) se l'arrachent et la jeune femme pose en couverture des éditions françaises ou américaines des magazines Vogue, Elle, Marie Claire et même du célèbre Sports Illustrated.



Elle apparaît également dans les campagnes publicitaires de Ralph Lauren, Gap, Victoria's Secret, Gucci et bien d'autres. En 2000, elle signe un contrat avec L'Oréal et monte les marches du festival de Cannes 2001, en compagnie de Laetitia Casta et d'Andie MacDowell.



Elle était le visage de Marks & Spencer durant quatre ans. Elle a aussi participé au défilé de la marque de lingerie Victoria's Secret en 2007 et en 2008. Elle est représentée dans le monde entier par Elite Model Management. Son contrat avec Marks & Spencer est résilié à Noël 2009.

Comme sa consœur Laetitia Casta, elle s'essaye au cinéma. Elle décroche un petit rôle dans Astérix & Obélix : Mission Cléopâtre d'Alain Chabat, aux côtés de Jamel Debbouze et Gérard Depardieu, puis elle tourne dans Gomez & Tavarès, une comédie « marseillaise » avec Titoff et Stomy Bugsy.



La top model enchaîne en 2003 avec Coup d'éclat, un film américain avec Pierce Brosnan et Salma Hayek, puis fait une apparition clin d'œil en 2006 dans La Doublure de Francis Veber. En 2007, elle joue dans la suite de Gomez & Tavarès intitulé Gomez VS Tavarès puis elle retrouve Brett Ratner dans le film Rush Hour 3 avec Jackie Chan et Chris Tucker.



Dans un domaine voisin, elle a aussi fait une apparition dans l'un des derniers clips du chanteur Usher Hey Daddy et tout récemment du rappeur Rohff pour le titre Dans ma werss.