I starten av juni 2016 ble Norheim bekreftet klar for Lyon, som på dette tidspunktet var sett på som verdens beste klubblag. Hun ble med sine 17 år troppens yngste spiller og ble lagvenninne med blant annet Ada Hegerberg. Hun debuterte for klubben i en cupkamp mot Ambilly i januar 2017, hvor hun scoret etter kun tre minutter på banen. Med det ble hun klubbens yngste målscorer gjennom tidene. Lyon vant både hjemlig serie, cupen og Champions League i sesongen 2016-17.