Leroy ist Tochter von Muriel Leroy und des Fußballprofis Jean-Luc Le Magueresse. Sie erhielt während ihrer Schulzeit Geigenunterricht. Als sie elf Jahre alt war, ließen sich ihre Eltern scheiden. Nolwenn lebte fortan mit ihrer 1990 geborenen Schwester Kay bei der Mutter. Deren Nachnamen nahm sie später an, um Verwechslungen mit der französischen Sängerin Nolwen zu vermeiden.[1][2]
Sie besuchte das Collège des Célestins in Vichy.[3]
1998 verbrachte sie ein Jahr als Austauschschülerin in den USA (Cincinnati, Ohio) und schrieb sich nach ihrer Rückkehr am Musikkonservatorium in Vichy ein. 2001 begann sie an der Universität von Clermont-Ferrand ein Jurastudium. Animiert durch die Fernsehsendung Star Academy, einer französischen Variante der Castingshows Anfang der 2000er Jahre, nahm sie Gesangsunterricht bei der durch die Show bekannt gewordenen Gesangslehrerin Armande Altaï. Sie nahm 2002 an der zweiten Staffel der Star Academy teil und gewann den Wettbewerb.
Ihrer erste Single Cassé platzierte sich französischen und Schweizer Charts platzieren. Ihr erstes Album Nolwenn[4] war erfolgreich in französischsprachigen Ländern, es erreichte Platz 1 und Doppel-Platin in Frankreich (mehr als 600.000 verkaufte Tonträger) und Platz 2 in der Schweiz und Belgien. 2004 wurde sie bei den NRJ Music Awards als „Französischsprachiger Newcomer“ ausgezeichnet.
Nach einer ausgedehnten Tour und Veröffentlichungen auch im französischsprachigen Teil Kanadas kehrte sie 2006 mit einem erneuten Nummer-eins-Hit Nolwenn Ohwo! zurück, der von Alain Souchon und Laurent Voulzy geschrieben worden war. Laurent Voulzy produzierte außerdem das wenig später erschienene zweite Album Histoires Naturelles. Für den Verkauf von über 400.000 Tonträgern erhielt sie erneut Platin. Die Songs aus Histoires Naturelles und Nolwenn wurden bei der Histoires Naturelles Tour 2006 dargeboten. Das erste Live-Album Nolwenn Leroys wurde Ende Oktober 2007 veröffentlicht.
Le Cheshire Cat & Moi war ein Projekt, das im Jahr 2007 gestartet wurde. Die Songs stammen hauptsächlich von Leroy und Teitur Lassen, mit weiteren Beiträgen von Jonatha Brooke, Rupert Hine, Michelle Featherstone und Mike Errico. Teitur Lassen produzierte das Album, aufgenommen wurden die Songs in Schweden und den Färöern. Es entstand ein komplett akustisches Album, welches im Dezember 2009 veröffentlicht wurde. Die Tour Le Cheshire Cat & Vous startete 2010.
Leroys Album Bretonne (2010) mit vorwiegend traditionellen Liedern aus der Bretagne, Großbritannien und Irland wurde Leroys erfolgreichstes Album, mit über 1,2 Millionen verkauften Exemplaren.[5] Neben Platz 1 in Frankreich und Belgien erreichte eines ihrer Alben erstmals auch die deutschen Charts und machte sie über den französischsprachigen Raum hinaus bekannt. Die Bretonne Tour (über 100 Konzerte)[6] startete 2011.
Ihr fünftes Studioalbum war 2012 Ô Filles de l'eau, produziert von Jon Kelly,[7] es folgten 2018 das Album Folk und 2021 La cavale.
Nolwenn Leroy ist seit 2012 in der Liste der beliebtesten Persönlichkeiten der Franzosen, die von die Journal du dimanche veröffentlicht wird.[8]
Im November 2021 verkaufte sie mehr als 4 Millionen Platten.[9]
