Родился 10 (23) ноября 1908 года в Киеве в семье актёра эстрады. Детство его прошло в поселке Ирпень, недалеко от Киева, где мальчик и начал учиться в гимназии. Разносторонне одаренный мальчик, Носов с гимназических лет увлекался музыкой, театром, сочинительством — наряду с шахматами, фотографией, электротехникой, радиолюбительством, был газетным торговцем, землекопом, косарем и т.п. После 1917 года гимназия была реорганизована в школу-семилетку. Закончив ее, он работал чернорабочим на бетонном заводе в Ирпени, потом на кирпичном в городе Буча. В 1927—1929 учился в Киевском художественном институте, откуда перевёлся в Московский институт кинематографии (окончил в 1932). В 1932—1951 — режиссёр-постановщик мультипликационных, научно-популярных и учебных (в том числе для Красной Армии, заслужив этим в 1943 орден Красной Звезды) фильмов.
Начал публиковать рассказы в 1938: «Затейники», «Живая шляпа», «Огурцы», «Чудесные брюки», «Мишкина каша», «Огородники», «Фантазёры» и др., напечатанные главным образом в «малышовом» журнале «Мурзилка» и составившие основу первого сборника Носова «Тук-тук-тук», 1945. По словам самого Носова, в литературу он пришел случайно: родился сын, и нужно было рассказывать ему все новые и новые сказки, забавные рассказы для него и его приятелей-дошкольников. Носов ввёл в детскую литературу нового героя — наивного и здравомыслящего, озорного и любознательного непоседу, одержимого жаждой деятельности и постоянно попадающего в необычные, зачастую комические ситуации.
Особенно широкую популярность завоевали его повести для подростков «Весёлая семейка» (1949), «Дневник Коли Синицына» (1950), «Витя Малеев в школе и дома» (1951; Сталинская премия третьей степени , 1952; кинофильм, 1954).
Наибольшую известность и любовь читателей получили его сказочные произведения о Незнайке. Первое из них — сказка «Винтик, Шпунтик и пылесос». В дальнейшем герой появился в знаменитой трилогии, 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). Первым иллюстратором «Незнайки», художником, который подарил этому литературному герою хорошо знакомый всем образ, был Алексей Михайлович Лаптев (1905—1965) [1]. Не менее известным иллюстратором Носова был Генрих Вальк. Также книги Носова иллюстрировали художники: И. Семенов, Д. Бисти, Е. Афанасьева, А. Каневский, В. Горяев и другие.