어린 시절부터 친인척들이 거주 중이던 캐나다와 한국을 자주 오갔으며, 영등포의 영원중학교를 자퇴하고 캐나다에서 중학교를 졸업한 뒤 고등학교를 다니던 도중에 다시 한국으로 돌아왔다. 세종대학교 영화예술학과에 입학했지만 대학 수업에 대한 회의가 들어 중퇴를 했다. 이후 학원에서 연기를 배우면서 소속사를 찾았다. 마이컴퍼니엔터테인먼트와 계약하고 3일 후에 오디션을 봤다가 주인공으로 발탁되었는데, 이 작품이 바로 이창동 감독의 영화 버닝이다. 오디션 때는 드라마 《케세라세라》의 정유미 연기를 준비해 갔다고. 2018년 5월 17일 영화의 개봉과 함께 배우로서 데뷔했으며, 이보다 하루 앞서 칸 영화제 레드카펫도 밟았다.

《버닝》은 관객마다 다양한 해석이 나오는데, 그녀는 "외로움에 관한 영화는 아닐까"라고 말했다. 《버닝》을 찍으면서는 같이 촬영한 배우와 스태프들을 통해 사람에 대한 존중과 이해를 배웠고, 이창동 감독이 이해와 공감이 크며 인간적이라 좋았다고 밝혔다. 이창동 감독의 현장은 기성배우들도 힘들어하는 현장으로 알려졌는데 그럼에도 같이 연기한 배우들과 잘 맞았고, 그가 자신에게 자유롭게 하라고 말해줘서 좋았다고도 말했다. 신인답지 않은 과감한 장면도 찍었는데, 노을지는 하늘 아래서 반라(半裸)로 호주 부시맨의 춤을 추는 장면은 야하다기보다는 몸으로 기묘한 아름다움을 불러일으키는 작품의 백미라는 평가를 받는다.

그 후 2020년 11월 27일에 개봉한 이충현 감독의 장편영화 《콜》을 차기작으로 정했다. 《콜》은 각각 다른 시간대에 사는 두 여자가 우연한 전화로 서로의 존재를 알게 되면서 벌어지는 일을 그린 스릴러 영화로 과거 시간대를 살고 있는 여인 오영숙역을 맡아 인상적인 연기를 선보였다. 이 작품으로 제57회 백상예술대상에서 영화부문 여자 최우수연기상을 수상[했다. 그외에도 이 작품으로 부일영화상 여우주연상, 디렉터스컷 어워즈 영화부문 올해의 여자배우상을 수상했다.

2019년 6월부터 8월까지 촬영한 그녀의 첫 할리우드 진출작 《모나리자와 블러드 문》은 코로나로 인해 개봉이 미뤄졌다.

2021년 5월, 미국 대형 에이전시 UTA와 전속계약을 체결했다.

넷플릭스의 동명 히트작을 한국판으로 리메이크한 드라마 《종이의 집》을 2021년 5월부터 11월까지 촬영했다. 자신이 맡은 '도쿄' 역은 원작과 이름만 같고 전혀 다르게 각색될 것이라고 언급한 바 있다.