Nolwenn Leroy est née le 28 septembre 1982 à Saint-Renan et grandit à Paris et Lille, avant de revenir en Bretagne. En 1992, son père, un footballeur professionnel, abandonne femme et enfants. Sa mère essaie un temps de subvenir aux besoins de la famille mais elle rapidement contrainte d'ammener ses deux filles vivre chez leurs grands-parents à Saint-Yorre. C'est là-bas que Nolwenn commencera le violon.
En 1998, Nolwenn passe son bac aux Etats-Unis, dans l'Ohio. À son retour en France, elle décide de suivre des cours de chant classique au conservatoire de Vichy. Nolwenn va y acquérir les bases du chant lyrique. En 2001, elle s'inscrit à la faculté de droit de Clermont-Ferrand (spécialisation en droit anglo-américain). Son idéal est alors d'entre à l'ONU ou dans une Organisation Non Gouvernemtale, si possible humanitaire.
C'est en regardant la Star Academy que Nolwenn décide de s'inscrire aux cours de chant d'Armande Altaï. Pour parvenir à payer les cours et les déplacements à Paris, elle trouve un job de caissière le week-end. Nolwenn est ensuite sélectionnée pour participer à la Star Academy 2, qu'elle remporte face à Houcine.
Le 4 mars 2003, la jeune chanteuse sort son premier album intitulé sobrement Nolwenn ; Pascal Obispo, Lara Fabian, Laurent Voulzy, Lionel Florence et Daniel Lavoie participent au disque. L'album se vend à plus de 700 000 exemplaires. Son deuxième album, Histoires Naturelles, réalisé par Laurent Voulzy et Franck Eulry, sort en 2005 et devient disque de platine après seulement quelques semaines. La tournée qui s'ensuit est également un triomphe.
Nolwenn Leroy travaille aujourd'hui à la réalisation de son troisième album, en collaboration avec le compositeur anglais Guy Chambers. Ce nouvel opus devrait paraitre d'ici la fin 2008.