Após os estudos de artes dramáticas, Noomi Rapace consegue pequenos papéis em séries de televisão. Seu primeiro grande papel no cinema é o de mãe adolescente no filme dinamarquês Daisy Diamond (2007). Sua carreira internacional desponta dois anos mais tarde, quando ela conquista o papel principal na versão sueca da trilogia Millennium, incluindo os filmes Os Homens que Não Amavam as Mulheres, A Menina que Brincava com Fogo e A Rainha do Castelo de Ar.
Com a notoriedade desta produção, ela é convidada a participar dos filmes americanos Sherlock Holmes - O Jogo de Sombras (2010), de Guy Ritchie e Prometheus (2012) de Ridley Scott. Ela também chama a atenção do diretor Brian De Palma, com quem filma Passion.