Après un cursus universitaire « Arts du spectacle » et une Maîtrise de cinéma en spécialité Scénario, Nolwenn Lemesle écrit et réalise son premier court-métrage Poids plume avec le G.R.E.C en 2005. Deux ans plus tard, elle réitère avec Sid, produit par Paris-Brest Productions & Gloria Films.
Nolwenn travaille aussi sur les projets de ses pairs en tant qu’auteure ou consultante. Elle a notamment participé à l’écriture du long-métrage Par suite d’un arrêt de travail… réalisé par Frédéric Andréi, et co-écrit actuellement d’autres auteurs-réalisateurs.
Des morceaux de moi, son premier long-métrage en tant qu’auteure-réalisatrice avec Adèle Exarchopoulos, Zabou Breitman et Tchéky Karyo, sort en 2013 et remporte le Bayard d’Or de la Meilleure première œuvre au Festival International du Film Francophone De Namur.
En 2020, elle signe la réalisation d’un film unitaire pour Arte avec Tracy Gotoas, Déborah François et Fanta Kébé, Les Héritières écrit par Laure-Élisabeth Bourdaud et Johanna Goldschmidt.
Nolwenn s’apprête désormais à tourner Mauvaise troupe, un court-métrage qu’elle a co-écrit avec Ronan Bertrand.