Родилась в Миннеаполисе, штат Миннесота, в семье журналиста Дэвида Нила и его супруги, театральной танцовщицы. В юности работала в качестве модели, достигнув большого успеха в качестве девушки пин-ап в годы Второй Мировой войны. Впервые на киноэкранах Нилл появилась в эпизодической роли в 1942 году, а полноценную карьеру в кино начала в 1944 году, после подписания контракта с «Paramount Pictures».

Наибольшую известность ей принесла роль Лоис Лейн в фильме «Супермен» (1948) и «Атомный Человек против Супермена» (1950), а также телесериале 1950-х годов «Приключения Супермена». На протяжении десятилетий, Нилл появилась в различных постановках франшизы о Супермене, часто играя родственников одного из главных героев, в том числе в фильме 1978 года «Супермен», в телесериалах «Супермальчик» и «Лоис и Кларк: Новые приключения Супермена»,и в фильме 2006 года «Возвращение Супермена». 15 июня 2010 года в городе Метрополис (который считается «официальным домом Супермена») открыли памятник Лоис Лейн, прототипом для образа которой выступила Ноэль Нилл.

С 1943 года актриса была замужем за голливудским визажистом Гарольде Лирли, который скончался в 1994 году.