Engagements contre la pauvreté
Depuis mars 2006, Nolwenn Leroy est la marraine de la Fondation pour le logement des défavorisés[133]. Après les révélations d'abus sexuels de l'abbé Pierre, Nolwenn Leroy déclare être « désemparée » par ces déclarations. Elle déclare que le choix de la fondation Abbé-Pierre de changer de nom est « admirable »[134]. Elle ajoute que l'association « se devait de soutenir les victimes, d'être du côté des victimes »[135]. Elle fait aussi partie de la troupe des Enfoirés pour l'association Les Restos du cœur depuis 2006.
Engagements contre les maladies
En Bretagne, elle est marraine de l’opération « Offrez une Orchidée pour la mémoire ! » qui a lieu dans les 42 magasins E. Leclerc bretons du 4 au 14 décembre 2013 au profit de la recherche contre la maladie d'Alzheimer[136]. En juin 2014 et 2015, elle est la marraine de la course "Défigéna" à l'île-Tudy, qui finance la recherche contre la mucoviscidose[137],[138]. Elle s'est produite pour d'autres causes comme le Téléthon[139], le Sidaction[140], le Télévie (marraine 2014)[141], la Fondation pour la Recherche sur Alzheimer[142], l'hôpital Necker-Enfants malades[143], l'association Laurette Fugain[144] et l'association Grégory Lemarchal[145].
Autres engagements
Elle est la marraine de l’association de sauvegarde du patrimoine des phares et balises[146].
Elle s'est également engagée auprès d'associations telles que l'Unicef[147], SOS Racisme[148] ou Paroles de Femmes[149]. Le 29 avril 2023, elle participe au Miramar de Cannes[150].