Ноэми Мерлан родилась 27 ноября 1988 года в городе Париж, Франция. Детство провела в городе Нант, расположенном в устье реки Лаура, что на западе Франции. С ранних лет проявляла интерес к пению и танцам. Когда ей исполнилось 6 лет, родители отдали свою дочь в школу современного и классического танца.
После окончания средней школы Ноэми поступила в местный университет, который окончила со степенью бакалавра. В 2006 году девушка отправилась в Париж, где начала работать моделью в крупных агентствах. Ей пришлось много путешествовать по миру, благодаря чему она быстро освоила английский язык. Позднее Мерлан поступила в театральную школу Франсуа Флорана, которую успешно окончила в 2011 году.
В 2008 году Ноэми впервые примерила роль актрисы. Девушка сыграла в эпизоде фильма «Смерть в любви», режиссера Боаза Якина. Позже ей досталась Матильда в картине Дэльфина Глейза «Полночное разрешение». В 2011 году Мерлан заметил режиссер Жак Ричард и предложил ей сыграть главную роль в его картине «Сиротка без руки». Затем были фильмы «Оплошность», «Секс по предоплате», «Поющие завтра», «Наследники», «Этот неловкий момент» и другие.
В 2016 году актриса играла главную героиню в драме Мари-Кастиль Менссьон-Шаар «Небеса подождут». За роль Сони она была номинирована на премию «Сезар» как «Самая многообещающая актриса». В 2017 году ее увидели в фильме «Бездна», а в 2018 году в комедии «Сердцеед».