Nora Arnezeder nasceu em Paris, França, de pai austríaco e mãe egípcia. Enquanto ainda cursava o ensino médio, estudou atuação, dança e canto na renomada escola de teatro Cours Florent. O primeiro papel importante de Nora foi em 2008 em Paris 36 (francês: Faubourg 36), dirigido por Christophe Barratier e pelo qual ganhou o prêmio Lumières e o prêmio Étoile d'Or. Neste filme, Nora Arnezeder apresentou a música "Loin de Paname", que foi nomeada para Melhor Canção Original no 82º Oscar. Em 2012, Nora Arnezeder apareceu no filme Safe House, com Ryan Reynolds e Denzel Washington. No mesmo ano, ela apareceu no papel de Celia em The Words, ao lado de Bradley Cooper e Ben Barnes. O filme foi apresentado no Festival de Cinema de Sundance.
Nora Arnezeder também atuou no filme de terror Maniac, ao lado de Elijah Wood.
Em 2013, Nora Arnezeder foi a atriz principal no drama internacional de fantasia Angélique, de Ariel Zeitoun.
Em novembro de 2014, Nora Arnezeder foi escalada para a série Zoo da CBS, baseada no romance de James Patterson e Michael Ledwidge. O Zoo estreou em junho de 2015.
Recentemente, Nora Arnezeder participou da série Mozart na Selva, interpretando Anna Maria, a esposa do personagem principal, Rodrigo (Gael Garcia Bernal). O show ganhou dois Globos de Ouro.
