Noé Hernández Álvarez est né le 10 novembre 1969 à Atitalaquía, dans l'État du Hidalgo, fils de parents paysans. Il a étudié l'art dramatique à l'Universidad Autónoma del Estado de México. Il s'apprêtait à s'inscrire pour devenir avocat, mais a changé d'avis à la dernière minute en feuilletant la brochure de l'école, car il avait l'habitude de jouer dans des productions théâtrales au lycée. Après son diplôme en 1994, il est devenu professeur au lycée pendant sept ans à Toluca et a simultanément fondé un groupe de théâtre expérimental, avant de s'installer à Mexico pour poursuivre une carrière au cinéma.
Hernández a passé trois ans à participer à trois ou quatre castings par semaine, jusqu'à ce qu'il signe un contrat pour tourner une publicité, puis un petit rôle dans le film Propiedad Ajena en 2007. L'année suivante, il obtient son premier rôle de soutien dans le film Espiral (2008), puis un rôle de 40 secondes dans Sin Nombre, réalisé par Cary Fukunaga. Il a ensuite joué des rôles de soutien dans les films Vaho (2010), Somos Lo Que Hay (2010) et El Infierno (2010).
Lors du tournage de Sin Nombre, Hernández a rencontré le cinéaste Gerardo Naranjo, qui des années plus tard lui a proposé le rôle principal dans Miss Bala, un film écrit par Naranjo et Mauricio Katz, qui raconte l'histoire d'une candidate à un concours de beauté, interprétée par Stephanie Sigman.
En 2024, il a remporté le prix Ariel du meilleur acteur pour son rôle dans Kokoloko.