Schon in früher Jugend zeigte Nöldeke eine hervorragende Begabung für orientalistische Studien. Seine erste, 1856 in lateinischer Sprache erschienene Abhandlung über Ursprung und Anordnung der Suren des Koran wurde drei Jahre später von der französischen Académie des Inscriptions preisgekrönt. Er habilitierte sich 1861 in Göttingen für semitische Philologie, wurde in Kiel außerordentlicher, 1868 ordentlicher Professor, wo er auch über Sanskrit und Altes Testament las. 1872 nach Straßburg berufen, übte er dort bis 1920 eine überaus vielseitige Lehrtätigkeit als Semitist aus.

Nöldeke war ein überragender Orientalist. Auf dem Gebiet des Arabischen, Aramäischen und Iranischen hat er umfassend und mit außerordentlicher Gründlichkeit gearbeitet, aber auch ganz Wesentliches zur Kenntnis des Abessinischen, Hebräischen, Türkischen und der phönizischen Inschriften beigetragen. Seine Studien galten ebenso den Sprachen wie der Literatur, der Kultur und der Geschichte orientalischer Völker und Stämme. Zahlreiche Schüler, die später selbst Bedeutendes leisteten, lernten bei ihm. Auch heute noch steht die Islamwissenschaft auf weitem Gebiete stark unter seinem Einfluß.