En 2003, elle a remporté la médaille d'or aux Championnats du monde junior de patinage artistique et a participé à ses premiers Jeux olympiques à Athènes en Grèce en 2004, où elle a terminé septième.
En 2005, Marie-Noëlle Lavallee a remporté la médaille d'argent aux Championnats du monde de patinage artistique en individuel et a également terminé deuxième lors des épreuves par équipes. La même année, elle a rejoint l'équipe canadienne de danse sur glace avec skate partner, Romain Haguenauer, et ensemble ils ont remporté la médaille d'or aux Championnats du monde juniors de danse sur glace en 2006.
En 2010, Marie-Noëlle Lavallee a participé à ses seconds Jeux olympiques à Vancouver et a terminé cinquième dans l'épreuve individuelle de patinage artistique. Avec son nouveau partenaire de danse, Karel Zoufal, elle a également concouru en danse sur glace pour le Canada, terminant dixième aux Jeux olympiques.
En 2014, elle a participé à ses troisièmes Jeux olympiques à Sotchi et a terminé sixième dans l'épreuve individuelle de patinage artistique. Avec son nouveau partenaire de danse, Yevgeni Platov, elle a également concouru en danse sur glace pour le Canada, mais ils ont été disqualifiés pour une infraction de compétition.
Depuis 2014, Marie-Noëlle Lavallee se consacre à la danse sur glace et au patinage artistique. Elle a notamment participé aux Championnats du monde de danse sur glace en 2018, terminant sixième avec son partenaire, Guillaume Cizeron.
Marie-Noëlle Lavallee est une athlète talentueuse qui a remporté plusieurs médailles aux championnats internationaux et qui a participé à trois Jeux olympiques. Son talent pour la danse sur glace et le patinage artistique a fait de elle une icône du sport canadien.