Noomi Rapace décroche son premier rôle en 1997 en faisant une apparition dans le drame familiale Sanning eller konsekvens. Elle enchaine ensuite les participations dans des téléfilms suédois avant d'incarner l'ex-petit amie d'un ancien détenu rattrapé par son passé dans le thriller Blodsbröder (Bloodbrothers) en 2005. L'année suivante elle est en tête d'affiche du drame romantique Du & Jag avant d'interpréter le personnage principal de Daisy Diamond, un drame relatant le destin tragique d'une jeune femme souhaitant devenir une actrice. En 2009 c'est la consécration, puisque Noomi Rapace décroche l'un des rôles principaux de Millénium, celui d'une hackeuse aidant Michael Nyqvist à enquêter sur la disparition mystérieuse d'une jeune fille.