Der Schauspieler wurde als Ulrich Schmid am 18. November 1959 in München geboren. Als Pfarrerssohn wuchs er mit fünf älteren Geschwistern in Neu-Ulm an der Donau und Augsburg auf. Er begann nach dem Abitur zunächst, Rechtswissenschaften zu studieren, brach das Studium jedoch ab. Später entschied er sich für ein Schauspielstudium an der Hochschule für Musik und Darstellende Kunst Stuttgart.
Nach seinem erfolgreichen Abschluss 1986 nahm er den Nachnamen seiner Mutter (Noethen) als Künstlernamen an. Von 1985 bis 1987 stand er als Ensemblemitglied der Städtischen Bühnen in Freiburg auf der Theaterbühne. Nach einigen weiteren Stationen – etwa beim Schauspiel Köln und den Staatlichen Schauspielbühnen Berlin – landete er Anfang der 1990er-Jahre beim Fernsehen. 1991 war er in einer Episodenrolle der Krimiserie „Europcops“ zu sehen. An der Seite von Jan Josef Liefers und Ann-Kathrin Kramer übernahm er 1995 in „Der Partner“ die Rolle des Hauptkommissars Zobel.
Ulrich Noethen trat in vielen weiteren Fernseh- und Filmproduktionen auf, beispielsweise in mehreren Tatort-Folgen (1995, 1998, 2007, 2009), im Film „Bonhoeffer – Die letzte Stufe“ (2000) oder in „Stolberg“ (2009). Große Bekanntheit erlangte er durch seine Kinorollen – insbesondere in zahlreichen Familienkomödien. So war er etwa in „Bibi Blockberg“ (2002) und „Bibi Blocksberg und das Geheimnis der blauen Eulen“ (2004) als Bernhard Blocksberg und in „Das Sams“ (2001), „Sams in Gefahr“ (2003) und „Sams im Glück“ (2012) als Bruno Taschenbier zu sehen. 2015 bis 2022 brillierte er in der ZDF-Krimireihe „Neben der Spur“ in der Hauptrolle des Joe Jessen.
Bis 2009 war Ulrich Noethen mit der Schauspielerin Friederike Wagner verheiratet, mit der er eine Tochter hat. Zusammen mit Bestseller-Autorin Alina Bronsky bekam er 2013 eine weitere Tochter.