Après une adolescence perturbée, Demi Moore abandonne ses études pour poser dans des magazines. Elle commence ensuite une carrière de comédienne en apparaissant pour la première fois à l'écran en 1981 dans Choices, un drame de Silvio Narizzano, et dans le soap-opera Alliances & trahisons. Trois ans plus tard, elle incarne la fille de Michael Caine dans C'est la faute à Rio (1984) de Stanley Donen, remake américain d'Un moment d'égarement. Joseph Bologna, seconde vedette masculine du film, la choisit alors pour interpréter sa fille dans le téléfilm Bedrooms.

Tout en cherchant à se débarrasser de sa dépendance pour la cocaïne, Demi Moore donne à deux reprises la réplique à Rob Lowe dans les romances pour adolescents St. Elmor's fire (1985) et A propos d'hier soir (1986). Elle interprète ensuite, face à Robert De Niro, une jeune mère célibataire dans la comédie Nous ne sommes pas des anges (1989), avant de connaître la consécration internationale grâce à son rôle de compagne endeuillée de Patrick Swayze dans le drame fantastique Ghost (1990).

Dès lors, son charmant minois ne passe plus inaperçu. Mariée à une autre star montante, Bruce Willis, elle lui donne la réplique en 1991 dans Pensées mortelles, un thriller d'Alan Rudolph. Sex symbol des années 90, elle incarne une juriste militaire face à Tom Cruise dans Des hommes d'honneur (1992), accepte une Proposition indécente (1993) de la part de Robert Redford et va même jusqu'à "violer" Michael Douglas dans Harcèlement (1994).

A ces succès commerciaux succède une série d'échecs parmi lesquels Souvenirs d'un été (1995) de Lesli Linka Glatter, Les Amants du nouveau monde (1996) de Roland Joffé et le thriller La Jurée (id.) avec Alec Baldwin. Ses prestations d'effeuilleuse sexy dans Striptease (id.) et de guerrière au caractère trempé dans A armes égales (1997) ne peuvent conjurer le mauvais sort qui s'acharne sur elle. 1998 reste une année noire pour Demi Moore, malgré sa participation à Harry dans tous ses états de Woody Allen.

Sa mère décède d'un cancer et sa séparation avec Bruce Willis défraye la chronique. L'actrice se fait alors plus rare sur les écrans, n'acceptant d'apparaître que dans l'intimiste D'un rêve à l'autre (2000) d'Alain Berliner et préférant se consacrer à son activité de production via sa société Moving Pictures. Il faut attendre 2003 pour revoir Demi Moore au sommet de sa forme et de ses formes dans le blockbuster Charlie's angels - les anges se déchaînent de McG.

Par la suite, la belle met de nouveau sa carrière en pause et fait alors malheureusement davantage parler d'elle pour son idylle avec Ashton Kutcher, de seize ans son cadet. Elle n'effectue qu'un timide come-back en 2006 avec le thriller surnaturel Half Light. L'année suivante, Demi Moore joue dans le drame Bobby, au casting duquel figure aussi son nouvel époux. Cette même année, elle donne également la réplique à Michael Caine dans Le Casse du siècle, et à Kevin Costner dans Mr. Brooks.

En 2008, elle fait ses premiers pas dans la réalisation avec le court métrage Streak, avant de revenir à son rôle d'actrice pour incarner la maman parfaite de La Famille Jones en 2010. On la retrouve de nouveau en mère de famille en 2012, dans les comédies Another Happy Day et LOL USA, remake du film français LOL - Laughing Out Loud, dans lequel elle reprend le rôle tenu par Sophie Marceau. La même année, elle est à l'affiche du thriller financier Margin Call aux côtés des acteurs oscarisés Kevin Spacey et Jeremy Irons.

Tournant moins, la comédienne est tout de même à l'affiche de la romance Very Good Girls, le western Forsaken, la comédie horrifique Pire Soirée, le thriller SF Songbird ou le déjanté Un talent en or massif. Parallèlement, Demi apparaît dans les séries Empire, Brave, New World et Feud. En 2024, elle revient dans un rôle de premier plan avec le dérangeant The Substance de Coralie Fargeat (prix du scénario au festival de Cannes 2024), où elle campe une star sur le déclin qui se voit offrir la possibilité de générer une version d'elle-même plus jeune...