Родился 10 (23) ноября 1908 в Киеве в семье актера-эстрадника. Разносторонне одаренный мальчик, Носов с гимназических лет увлекался музыкой, театром, сочинительством – наряду с шахматами, фотографией, электротехникой, радиолюбительством и т.д. Был газетным торговцем, землекопом, косарем и т.п., в 1927–1929 учился в Киевском художественном институте, откуда перевелся в Московский институт кинематографии (окончил в 1932).

В 1932–1951 – режиссер-постановщик мультипликационных, научно-популярных и учебных фильмов, в том числе для Красной Армии, заслужив этим в 1943 орден Красной Звезды.

Начал публиковать рассказы в 1938 ("Затейники", "Живая шляпа", "Огурцы", "Чудесные брюки", "Мишкина каша", "Огородники", "Фантазеры" и др., напечатанные главным образом в детском журнале «Мурзилка» и составившие основу первого сборника Носова "Тук-тук-тук", 1945). В этих, а также последующих произведениях (сборники рассказов "Ступеньки", 1946; "Веселые рассказы", 1947; "Фантазеры", 1957; "Приключения Толи Клюквина", 1961, и др.) Носов ввел в детскую литературу нового героя – наивного и здравомыслящего, озорного и любознательного непоседу, одержимого жаждой деятельности и постоянно попадающего в необычные, зачастую комические ситуации.

Живой, динамичный язык, сюжетная занимательность, отличное знание мальчишеской психологии сразу сделали творчество Носова интересным для миллионов юных читателей. Особенно широкую популярность завоевали его повести для подростков "Веселая семейка" (1949), "Дневник Коли Синицына" (1950), "Витя Малеев в школе и дома" (1951; Государственная премия СССР, 1952). Последняя успешно решает одну из сложнейших задач художественной литературы для детей: назидание без скуки, показ эволюции детского характера в преодолении собственных недостатков (лени, неорганизованности, безответственности) без натяжек и скидок, в естественном, органичном и увлекательном изложении легко узнаваемых событий школьной и «домашней» жизни подростка.

Долговременную известность и любовь читателей получила трилогия Носова, включающая романы-сказки "Приключения Незнайки и его друзей" (1953–1954), "Незнайка в Солнечном городе" (1958) и "Незнайка на Луне" (1964–1965; Государственная премия РСФСР им. Н.К.Крупской, 1969).

Здесь в остроумной условной форме автор знакомит юного читателя с основными законами человеческого общежития, заменяя в первых двух частях реальные социальные конфликты противоречием между «взрослым» мироустройством и «детским» миросозерцанием героев, а в последней части, охарактеризованной самим автором как научно-фантастическая повесть о последних достижениях и перспективах развития советской науки в области ракетоплавания и телемеханики, сталкивая юного читателя и с серьезными проблемами возможного конфликта знания и нравственности, цивилизационного и духовного потенциала человека.

Действие трилогии протекает в утопической детской республике; персонажи, в классических традициях сказки – притчи и поучения, отсылающей, в числе прочих, к Городку в табакерке В.Ф.Одоевского, носят «говорящие» фамилии (ученый Знайка, доктор Пилюлькин, художник Тюбик, братья Винтик и Шпунтик) и, представляя отдельные области знания, стремятся поделиться с Незнайкой своим опытом и умением, являя тем самым свой вариант развития ярко обозначенного в отечественной литературе ХХ в. Б.С.Житковым ("Что я видел") жанра своеобразной научно-беллетристической детской энциклопедии.

Уважение к труду, знаниям, профессионализму, честное и доброжелательное отношение к людям внушаются в произведениях Носова мягко и неназойливо, с теплым, сочувственным юмором, сочетаясь с признанием самоценной личности ребенка и принципов свободного воспитания.

Эти черты свойственны и автобиографическим произведениям писателя – "Повесть о моем друге Игоре" (1971–72), написанной в форме дневниковых записей из жизни дедушки и внука (1-я часть – "Между годом и двумя", 2-я часть – "От двух до двух с половиной лет"), и мемуарной повести "Тайна на дне колодца" (1977; два ее первоначальных варианта – "Повесть о детстве" и "Все впереди", обе 1976).

Драматургически напряженные, динамичные, изобилующие мастерски построенными диалогами произведения Носова легко поддаются сценической обработке (сборник пьес "Два друга", 1962; фильм "Дружок", 1958, на основе рассказов "Мишкина каша" и "Дружок", и др.).

Эстетические взгляды и конкретные художественные наблюдения изложены писателем с присущим ему остроумием в книге фельетонов "На литературные темы" (1957) и сборнике "Иронические юморески" (1969).

Умер Носов в Москве 26 июля 1976.