Tras terminar el instituto, el parisino Denis Lenoir comenzó la carrera de Medicina, pero con poco éxito, pues durante aquel periodo descubrió la Cinémathèque Française. Durante los dos años siguientes llegó a ver hasta un millar de películas, fascinado tanto por los clásicos de Hollywood como por la vanguardia europea de finales de los 60.
Para convertir en profesión su verdadera pasión se apuntó a le escuela Louis Lumière (Vaugirard en aquel entonces, llamada así por la calle en que se encontraba), donde cursó dos años. Después de su formación en la escuela de cine trabajó como ayudante de cámara para directores de fotografía franceses, como Bernard Lutic y Ricardo Aronovich.
A los 27 años, Lenoir fue cámara e iluminador para filmes corporativos. En aquella etapa también rodó cortometrajes y tuvo la suerte de trabajar para Olivier Assayas, entonces crítico de Cahiers du Cinema, con quien entablaría una amistad.
En 1986 Assayas dirigió su primera película y le pidió a Lenoir que se encargara de la iluminación y de la operación de cámara. Fue el inicio de una larga y todavía activa colaboración, que ya va por el séptimo filme. El último de ellos, Demonlover, le supuso a Lenoir la Rana de Bronce en Camerimage 2002. Poco después trabajó con Patrice Leconte en Monsieur Hire y con Bertrand Tavernier en Daddy Nostalgia. Mientras tanto, estudió Historia del Arte en la Escuela del Louvre y, quizá porque quiso interactuar con otros directores de fotografía, fundó junto a dos compañeros de la escuela la Asociación Francesa de Fotografía Cinematográfica, la AFC, de la que fue tesorero durante tres años y vicepresidente tres años más.
En 1989 conoció por casualidad (en un avión) al director australiano Rolf De Heer, con el que rodó Dingo al año después (nominada a la mejor fotografía por el Instituto del Cine Australiano), parte en Francia y parte en Australia. Aquel fue el primero de una serie de largometrajes que rodó en inglés. Lenoir recibió dos años seguidos la invitación de la Escuela de Cine de Australia, en Sydney, para dirigir talleres de cine, de los que se han editado películas en vídeo. Su gusto por el inglés y por los filmes en aquel idioma le llevó en 1994 a trabajar con el guionista y entonces director debutante Christopher Hampton en Carrington. Al año siguiente repitieron colaboración con Agente Secreto.
Aunque ya había estado en EEUU, siempre había pospuesto su traslado. Finalmente rodó en Chicago su primera cinta norteamericana, Desde que os fuisteis, donde conoció a la actriz local Joy Gregory (actualmente guionista de TV y su esposa). Juntos decidieron mudarse al sur de California. Desde 1997, Lenoir vive en Los Angeles y forma parte de la Sociedad Norteamericana de Fotografía Cinematográfica (ASC).
Ha trabajado en producciones norteamericanas como Jueves, Steal this Movie y La Sombra de un Secuestro, así como en la miniserie Rebelión en Polonia (Premio de la ASC y nominación al Emmy en 2002 a la mejor fotografía). No obstante, viaja regularmente a Francia para visitar a amigos y familiares, y también para rodar filmes publicitarios o para trabajar con Assayas o De Heer. Su trabajo con éste último en El Viejo que leía Novelas de Amor le supuso el premio Kodak a la "Contribución al Desarrollo de la Imagen", en el festival Madridimagen 2001. Ha rodado 28 filmes estrenados en salas comerciales y docenas de spots y videoclips musicales. También es reconocido por su labor en foto fija y por el libro en francés que escribió sobre el director John Cassavetes, publicado en París en 1986.
Lenoir, caballero de la Ordre National du Mérite, tiene tres hijos y le gusta practicar senderismo y cocinar.
