Après des études scientifiques, puis cinématographiques à l'Ecole Louis-Lumière, Noëlle Boisson devient assistante-stagiaire à la mise en scène, puis, rapidement, chef monteuse sur les premiers films de Jacques Doillon : L'An 01 (1973), Les Doigts dans la tête (1974), La Pirate (1984), etc.

Elle monte ensuite une quarantaine de films, dont ceux de Patrice Leconte, Elie Chouraqui (premier César du meilleur montage pour Qu'est ce qui fait courir David? en 1983), Régis Wargnier, Cédric Khan, François Dupeyron, Roland Joffé, James Ivory. Puis elle rencontre Jean-Paul Rappeneau pour le montage de Cyrano de Bergerac (César du meilleur montage en 1991) puis Le Hussard sur le toit (1996). Avec Jean-Jacques Annaud, rencontré dès 1970 dans les films publicitaires, se développera la plus longue collaboration pour, notamment, L'Ours (César du meilleur montage en 1989), L'Amant (1993), et Deux frères (César du meilleur montage en 2005).

Réalisatrice par ailleurs de deux courts métrages, elle est nommée Chevalier de l'Ordre des Arts et des Lettres en 1992.