Filho de Isabel Augusta de Noronha Santos e do comerciante e guarda-livros Júlio César de Noronha Santos, Francisco Agenor nasceu na cidade do Rio de Janeiro, em 01/10/1876.
Fez seus estudos primários com seu tio, professor do Colégio Pedro II, Henrique de Noronha, e o preparatório no Colégio Perseverança, em São Cristóvão. Entre 1890 e 1893 cursou a Escola Militar, sendo afastado por motivo de saúde. Em 15/08/1893 ingressou no funcionalismo público no cargo de praticante da Diretoria Geral de Fazenda Municipal.
Com a eclosão da revolta da Armada, em 06/09/1893, Noronha Santos alistou-se como voluntário no Batalhão Benjamin Constant. Com o término do conflito, Noronha Santos recebeu o posto de tenente honorário do Exército pelo serviço prestado à Nação.
Iniciou sua contribuição aos estudos sobre a cidade do Rio de Janeiro em 1899, quando ainda era escriturário da Diretoria Geral de Contabilidade da Prefeitura do Distrito Federal, ao publicar Apontamentos para o indicador do Distrito Federal – uma organização alfabética de logradouros públicos cariocas acompanhada de comentários históricos e definições de jurisdições.
Transferiu-se para o Arquivo Geral do Distrito Federal em 1909. Em 26/11/1917 foi promovido de 1º Oficial da Prefeitura do Distrito Federal para o cargo de chefe de Seção do Arquivo Municipal, função que havia desempenhado outras vezes interinamente. Permaneceu no cargo até a sua aposentadoria, em 1926. Foi reconhecido pelo afinco e dedicação com que organizou, divulgou e preservou o acervo do Arquivo, realizando o primeiro tratamento técnico sistemático da documentação custodiada pela instituição, seguindo padrões teórico-metodológicos modernos para a época. Recebeu o apoio do Prefeito Amaro Cavalcanti (1917-1918) em aumentar a verba para a instituição.
Em março de 1937, ingressou na Diretoria do Patrimônio Histórico e Artístico Nacional, atuando como historiador.
Publicou extensa obra sobre a cidade do Rio de Janeiro, como os livros Apontamentos para o Indicador do Distrito Federal (1900), Chorographia do Distrito Federal (1907) e Meios de Transporte no Rio de Janeiro (1934). Foi membro do Instituto Histórico e Geográfico Brasileiro, da Sociedade de Geografia do Rio de Janeiro e da Comissão de nomenclatura histórica dos logradouros públicos do Rio de Janeiro.
Faleceu no dia 15/03/1954, sendo velado na Biblioteca Municipal, de onde saiu o cortejo para o Cemitério São Francisco Xavier. Em homenagem ao grande historiador e arquivista, o arquivo e a biblioteca do Instituto do Patrimônio Histórico e Artístico Nacional, localizados no Palácio Gustavo Capanema (RJ), recebem o seu nome, assim como o auditório do Arquivo Geral da Cidade do Rio de Janeiro.