Noemi ha partecipato diverse volte al Festival di Sanremo nel corso della sua carriera. Le sue partecipazioni includono:
2010: La sua prima partecipazione con il brano "Per tutta la vita". Arrivò quarta, ma ottenne un grande successo di pubblico e critica.
2012: Partecipa con "Sono solo parole", classificandosi terza. La canzone divenne un successo radiofonico e di vendite.
2014: Presenta "Bagnati dal sole" e "Un uomo è un albero", senza però raggiungere il podio.
2016: Noemi torna al festival con "La borsa di una donna", che riscuote un buon successo e si posiziona all'ottavo posto.
2018: Concorre con "Non smettere mai di cercarmi".
2021: Partecipa con "Glicine", ottenendo un buon riscontro.
La sua partecipazione a Sanremo ha sempre contribuito ad aumentare la sua popolarità e a consolidare la sua posizione nel panorama musicale italiano. Le sue canzoni presentate al festival sono spesso state accolte positivamente, diventando hit radiofoniche.