C'est le 28 septembre 1982 que voit le jour, à Saint-Renan (Finistère) que voit le jour Nolwenn Le Magueresse, qui n'est pas encore Leroy. Fille de Jean-Luc Le Magueresse, footballeur du Stade Brestois, Nolwenn suit sa famille au gré des pérégrinations professionnelles de son père à travers l'Hexagone. En 1993, Jean-Luc Le Magueresse quitte le foyer : Nolwenn et sa mère vivent un temps à Saint-Yorre, dans des conditions difficiles, l'ex-footballeur ne daignant pas soutenir financièrement sa famille. En grandissant, la jeune fille trouve un intérêt particulier à la musique, commençant par prendre des leçons de violon.
En 1998, Nolwenn est choisie par le Rotary Club de Vichy pour suivre un an d'études aux États-Unis, où elle passe l'équivalent du baccalauréat : là-bas, elle est fortement marquée par une visite à la Performing Arts School de Cincinnati, qui éveille en elle un intérêt pour le chant. Mais l'adolescente ne rêve pas encore de sunlights et se voit plutôt étudier le droit, avec comme idéal un engagement dans l'humanitaire.
Saint Paul avait été frappé par la grâce sur le chemin de Damas : pour Nolwenn, la révélation passe plutôt par les ondes hertziennes. C'est en 2001 que la jeune femme découvre sur TF1 l'émission de télé-realité musicale Star Academy : elle est particulièrement frappée par la personnalité d'Armande Altaï, professeur de chant et, finalement convaincue de sa vocation artistique, décide de suivre ses cours à Paris. Travaillant le week-end comme caissière à Saint-Yorre, Nolwenn suit durant la semaine les cours d'Armande Altaï à Paris. Convaincue du talent de son élève, l'enseignante l'encourage à se présenter à des castings : en 2002, Nolwenn se présente aux auditions de la seconde édition de Star Academy et de la comédie musicale Autant en emporte le vent, pour être finalement prise aux deux. Plutôt que de tenir sur scène le rôle de Scarlett O'Hara, Nolwenn Leroy choisit de se risquer au concours télévisuel.
Très médiatisée, davantage même que l'édition précédente, et riche en vraies personnalités musicales, l'émission propulse un grand nombre de candidats sur le devant de la scène. Le magazine VSD prend par exemple fait et cause pour Emma Daumas en titrant hardiment en une « Pourquoi Emma va gagner ». Mais Nolwenn Leroy - alors connue du public, comme tous les candidats, de son seul prénom - s'impose peu à peu comme l'un des principaux talents de l'émission, les médias montant en épingle sa « rivalité » avec Emma Daumas, l'autre « vedette » du jeu. Un suspense est organisé quand Nolwenn, qui apparaît progressivement comme favorite, est nominée pour l'élimination en même temps que Jérémy Chatelain et Anne-Laure Sibon, pour en sortir finalement grande gagnante. La grande avance de Nolwenn en terme de popularité étant établie, c'est sans réelle surprise qu'elle bat largement Emma Daumas en demi-finale avant de remporter la finale face à Houcine.
Après une montée en puissance savamment organisée, le lancement médiatique de Nolwenn Leroy, dont la belle voix profonde a su convaincre le public, est largement réussi. Quelques polémiques naissent bien sur son statut de privilégiée, voire de « pistonnée », en qualité d'ancienne élève d'Armande Altaï voire -selon certaines rumeurs médiatiques rapidement démenties par tous les intéressés- de maîtresse de Matthieu Gonet, répétiteur de l'émission : sans pour autant compromettre sa cote d'amour auprès du public. Une chanteuse bretonne se produisant déjà sous le nom de Nolwen (avec un seul N), la gagnante prend comme patronyme scénique le nom de jeune fille de sa mère, pour se faire appeler Nolwenn Leroy.
Au début 2003, Nolwenn rentre en studio pour enregistrer son premier album. Des pointures du monde du spectacle se sont mis à l'ouvrage pour fournir à la perle le plus bel écrin possible : Pascal Obispo se charge de la réalisation du disque, tandis que des auteurs comme Lionel Florence, Lara Fabian, Daniel Lavoie ou Laurent Voulzy planchent sur les textes. L'album Nolwenn et le single « Cassé » - qui joue en plein de l'image de « brune ténébreuse à voix profonde » de la jeune femme et se classe numéro un des ventes - sortent habilement quelques jours avant le début de la tournée des anciens élèves de la Star Academy 2, à laquelle Nolwenn participe évidemment en vedette. Trois autres singles « Une femme cachée », « Suivre un étoile » (chanson écrite par Laurent Voulzy, dans laquelle la chanteuse rend hommage à ses racines bretonnes) et « Inévitablement » (sorti en 2004) viennent parachever le lancement d'un album qui s'écoule jusqu'à 600 000 exemplaires : 2003 est une grande année pour Nolwenn Leroy, qui part en tournée solo au mois de décembre.
Au début de l'année 2004, elle empoche un NRJ Music Award de la meilleure révélation francophone de l'année. Si Nolwenn Leroy, qui assume jusque-là son statut de « produit marketing » soutenu à bout de bras par l'industrie musicale, a réussi à s'imposer comme artiste à part entière et chanteuse romantique, il lui faut maintenant confirmer par un album plus personnel : elle se met au travail avec Laurent Voulzy sur un second opus, Histoires Naturelles qui, du fait du rythme de travail du compositeur, ne sort qu'à la fin 2005. Le single « Nolwenn Ohwo », dans lequel certains s'amusent de déceler une sorte de délire érotique de Laurent Voulzy, permet de découvrir une Nolwenn Leroy plus légère et charmeuse, grâce à des sonorités néo-celtiques légères et aériennes. Première des ventes de singles, primée par la radio Chérie FM pour l'album et le deuxième single « Mon ange », la chanteuse repart en tournée et se produit à guichets fermés à l'Olympia, sortant ensuite un CD et un DVD en public : Histoires Naturelles Tour.
Dans le même temps, la chanteuse revient à ses premières amours pour l'humanitaire en s'engageant aux côtés de l'Unicef, de la Fondation Abbé Pierre et, bien sûr, des Enfoirés. Après le succès de son deuxième album, Nolwenn Leroy fait une pause pour se concentrer sur la préparation de son troisième opus, l'ambitieux Le Cheshire Cat Et Moi, partiellement composé par Guy Chambers (Robbie Williams) et produit par le sorcier du son Rupert Hine. Sur cet album paru à l'automne 2009, Nolwenne Leroy chante quatre titres en anglais. En dépit d'un bon accueil, le succès commercial reste cependant mitigé.
Au sortir d'une tournée hexagonale, la chanteuse polyglotte retourne en studio pour accomplir un projet qui lui tient à coeur : l'enregistrement de chansons traditionnelles bretonnes. Produit à Londres par Jon Kelly (Paul McCartney, Kate Bush...), le quatrième album Bretonne sorti le 6 décembre 2010 englobe des airs chantés en français, gaélique et anglais ainsi que l'inédit « Je ne serai jamais ta Parisienne » offert par Miossec. Résultat : un carton inespéré pour la chanteuse de l'Ouest qui voit son projet adopté par des millions d'auditeurs et tenir la tête des ventes plusieurs semaines d'affilée. Ce succès qui dépasse toutes les prévisions laisse libre cours à l'artiste qui enchérit avec un concept tourant autour du monde de la mer.
L'album Ô Filles de L'eau qui paraît le 26 novembre 2012 comprend des textes signés Miossec, Jean-Louis Murat et Hubert Mounier. « Juste pour me souvenir » est le premier simple extrait du recueil certifié triple disque de platine, dont le succès s'étend jusqu'en Allemagne. Un nouveau DVD de la tournée consécutive, Ô Tour de l'Eau, paraît en 2014. Si plusieurs projets collectifs suivent (Le Soldat rose, We Love Disney, La Bande à Renaud...), la chanteuse prend son temps pour peaufiner son sixième album en compagnie du producteur anglais Jamie Ellis. Gemme, c'est son titre, paraît en septembre 2017 avec pour extraits « Gemme », « Bien plus précieux » et « Ce que je suis ». Entre temps, Nolwenn Leroy est restée dans les mémoires pour avoir interprété « Quand on n'a que l'amour », de Jacques Brel, lors de l'hommage fait aux victimes des attentats du 13 novembre 2015, dans la cour de l'Hôtel des Invalides.
En novembre 2018, elle consacre son septième album à des reprises du répertoire folk francophone. Parmi les chansons choisies figurent des classiques de Francis Cabrel, Yves Simon, Nino Ferrer, David McNeil, Yves Duteil, Dick Annegarn (en duo sur « Sacré géranium »), ainsi que l'adaptation faite par Graeme Allwright du « Suzanne » de Leonard Cohen. Auparavant, sa version de « Je ne peux plus dire je t'aime » (Jacques Higelin), choisie comme premier extrait, a précédé « So Far Away from L.A. » (Nicolas Peyrac).
