Elle s'est mariée avec Álvaro Jacomossi avec qui elle a eu un fils : Zion, né en 2003. Le couple divorce en 2004. Par la suite, elle épouse l'acteur Henri Castelli en décembre 2005. Ensemble, ils ont un fils : Lucas, né en octobre 2006. Fontana et Castelli se séparent en 2007.

Elle est actuellement fiancée à Rohan Marley, l'un des fils de Bob Marley.

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.