פרופ' נועם מזרחי עשה את לימודיו האקדמיים באוניברסיטה העברית בירושלים, ואת כל תאריו קיבל בהצטיינות (ב"א בשנת 2000, מ"א בשנת 2002). את הדוקטורט שלו השלים בשנת 2008 בהדרכת פרופ' אבי הורביץ, מן החוגים למקרא וללשון עברית. הוא היה עמית פוסט-דוקטורט באוניברסיטאות הרווארד (ארה"ב) וגטינגן (גרמניה). עם שובו ארצה בשנת 2012 זכה במלגת אלון של המועצה להשכלה גבוהה והתמנה לחבר סגל בחוג ללימודי התרבות העברית ואחר כך בחוג למקרא באוניברסיטת תל אביב.
פרופ' מזרחי זכה במלגות, פרסים ומענקי מחקר רבים ויוקרתיים בארץ ובחו"ל. בין השאר זכה במלגת רוטנשטרייך מטעם ות"ת בלימודי הדוקטורט, היה עמית רוטשילד בפוסט-דוקטורט, וזכה למענקי מחקר מטעם קרן הזיכרון לתרבות יהודית, הקרן הלאומית למדע, שירות החילופין האקדמי הגרמני ועוד. הוא גם זכה להכרה ולהוקרה על כישורי ההוראה שלו, ואף נבחר לרשימת מצטייני הרקטור בשנת 2015.