An der Staatlichen Schauspielbühne in Berlin fand er größere Aufmerksamkeit durch seine starken Auftritte in Stücken wie 'Faust' und 'Ein Sommernachtstraum'. Nach der Schließung der Staatlichen Bühnen Berlin ging Ulrich Noethen zum Film und hatte seinen ersten Fernsehauftritt in der Serie 'Die Partner'. Unter anderem zeigte er im 'Tatort – Frau Bu lacht' von 1995 sein großes, überzeugendes Talent. Seine Nebenrolle in dem Film „Der Skorpion“ verhalf ihm 1996 zur Nominierung des Goldenen Löwen. Seinen Durchbruch hatte Noethen in dem Kinofilm 'Comedian Harmonists'. Er erhielt als bester Hauptdarsteller den Deutschen Filmpreis und gemeinsam mit seinen Schauspielkollegen den Bayerischen Filmpreis. Weitere Auszeichnungen für seine Leistungen folgten.

Neben den ernsthaften Rollen, beispielsweise in 'Gripsholm', übernahm Ulrich Noethen auch komödiantische Charaktere. Unter anderem ist er als Herr Taschenbier in den 'Sams'-Filmen bekannt. In weiteren Jugendfilmen wie 'Bibi Blocksberg' oder 'Das fliegende Klassenzimmer' machte er ebenfalls mit. In 2004 übernahm Noethen in dem Kinofilm 'Der Untergang' die Rolle von Heinrich Himmler, ein extremer Kontrast zu den Komödien. Im gleichen Jahr spielte er einen homosexuellen Friseur und ein Jahr darauf übernahm er eine Rolle in 'Polly Blue Eyes', einer Tragikomödie, bei der auch Meret Becker und Matthias Schweighöfer mitwirkten. Für seinen Auftritt als Bent Peerson in dem TV-Mehrteiler 'Die Patriarchin' wurde der Schauspieler mit dem Deutschen Fernsehpreis prämiert.

In dem Film 'Die Luftbrücke – Nur der Himmel war frei' zeigte Noethen wiederum seine großartigen schauspielerischen Leistungen. Hier stellte er den Kriegsheimkehrer Alexander Kielberg dar und spielte nicht zum ersten Mal mit seinen Kollegen Ulrich Tukur und Heino Ferch zusammen. Ulrich Noethen erhielt erneut den Deutschen Fernsehpreis, diesmal als bester Nebendarsteller. Im Jahr 2006 wurde er außerdem mit der Goldenen Kamera prämiert, die ihn als besten deutschen Schauspieler in verschiedenen Rollen auszeichnete: Für diese Entscheidung fanden die Filme 'Die Luftbrücke', 'Der Boxer und die Friseuse' sowie 'Silberhochzeit' Berücksichtigung. Die Nominierung von 2008 für den Deutschen Filmpreis erhielt er aufgrund seiner Darstellung in der Kinoproduktion 'Ein fliehendes Pferd.' Hierbei handelte es sich um die Verfilmung einer Erzählung von Martin Walser.

Der literarisch interessierte Schauspieler übernahm auch die Rolle des Kommissars Tabor Süden, als es zu Verfilmungen von zwei Krimis von Friedrich Ani kam. Noethen bekam zweimal den Adolf-Grimme-Preis verliehen: Einmal für seine Rolle in 'Kommissar Süden und der Luftgitarrist', beim zweiten Mal für den TV-Zweiteiler 'Teufelsbraten', eine Verfilmung nach dem Roman 'Das verborgene Wort' von Ulla Hahn. Der Film 'Henri 4' von Jo Baier erbrachte ihm 2009 erneut eine Nominierung für den Deutschen Filmpreis.