Noomi passe son enfance à Järna en Suède avant que sa famille ne déménage en Islande. À l’âge de sept ans, Noomi obtient un rôle muet dans le film Í skugga hrafnsins de Hrafn Gunnlaugsson. C’est suite à cette première expérience au cinéma qu’elle décide de devenir actrice. Noomi fait ses débuts à la télévision suédoise en 1996 dans le rôle de Lucinda Gonzales dans une série télévisée intitulée Tre kronor.

Noomi Rapace a étudiée au Skara Skolscen en 1998–1999. Elle a par la suite été engagée comme comédienne lors de pièces jouées au théâtre Plaza en 2000–2001, au Orionteatern en 2001, au Teater Galeasen ainsi qu’au Stockholms stadsteater en 2002-2003. Noomi Rapace est mariée à l’acteur suédois Ola Rapace.