Sa carrière débute dans les années 1980, lorsqu'il écrit des scénarios pour des séries télévisées françaises. En 1985, il coécrit le scénario du film "Les Ripoux" avec Jean-Pierre Jouyet, qui rencontre un grand succès commercial et critique en France.
En 1992, Charles-Antoine Noaille fait ses débuts comme réalisateur avec le film "Les Enfants de salaud", une adaptation du roman homonyme de Frédéric Dard. Le film obtient des critiques favorables et est nommé pour plusieurs prix.
En 1994, il réalise son second film, "Le Clan Des Siciliens". Il s'agit d'un drame criminel qui raconte l'histoire de la famille Corleone, un clan mafieux italien basé à New York et en Sicile. Le film est nommé pour plusieurs prix au Festival de Cannes et rencontre un succès commercial modéré.
En 1997, Charles-Antoine Noaille coécrit le scénario du film "Les Misérables" avec Claude Lelouch, qui est une adaptation du roman homonyme de Victor Hugo. Le film est un énorme succès commercial et critique en France.
Depuis les années 2000, Charles-Antoine Noaille a continué à travailler dans le cinéma français comme scénariste et producteur. Il a également écrit plusieurs romans pour enfants et jeunes adultes.
En 2017, il publie "Le Complot des Ombres", un roman policière qui raconte l'histoire d'un journaliste qui enquête sur une conspiration politique au sein du gouvernement français. Le livre obtient de bonnes critiques et est nommé pour plusieurs prix.
Charles-Antoine Noaille est considéré comme un des réalisateurs les plus talentueux de la scène cinématographique française, et son travail a été comparé à celui de Claude Lelouch et François Truffaut. Il continue à travailler actuellement sur plusieurs projets de cinéma et de littérature.