Chloë Grace Moretz nasceu em Atlanta, Geórgia, filha de Teri (Duke), enfermeira, e McCoy Lee Moretz, cirurgião plástico. Ela tem quatro irmãos, todos mais velhos, incluindo o ator Trevor Duke-Moretz. Sua ascendência é principalmente alemã e inglesa.
As duas primeiras aparições de Chloë foram como Violet em dois episódios da série The Guardian (2001). Seu primeiro papel no cinema foi como Molly em Heart of the Beholder (2005), uma história sobre uma família que abriu a primeira locadora de vídeo em 1980. Isso foi seguido por um pequeno papel em Family Plan (2005) como Young Charlie. Depois disso, porém, veio o maior papel de Chloe, e aquele que a tornou famosa: The Amityville Horror (2005), o remake do famoso The Amityville Horror (1979). Em seguida, ela conseguiu um pequeno papel em Today You Die (2005) como a menina, e desde então apareceu em Room 6 (2006) e Big Momma's House 2 (2006). Ela filmou Wicked Little Things (2006) na Bulgária, no qual interpreta Emma Tunney. Em 2007, ela completou The Third Nail (2007), no qual ela apareceu como Hailey Deonte.
Em 2010, ela apareceu como Hit-Girl no filme de ação Kick-Ass (2010) do diretor Matthew Vaughn, baseado na série de quadrinhos de mesmo nome de Mark Millar e John Romita Jr. Embora seu papel no filme de ação violenta tenha gerado alguma controvérsia , ela recebeu ampla aclamação da crítica por sua interpretação. Moretz treinou com a equipe de dublês de Jackie Chan por três meses antes de filmar "Kick-Ass" e fez a maioria de suas próprias cenas de ação no filme. Também naquele ano ela interpretou Abby, uma vampira de 12 anos, em Let Me In (2010), o remake do filme sueco Let the Right One In (2008), que foi lançado em 1 de outubro de 2010. Ela interpretou Ann Sliger no thriller policial Texas Killing Fields (2011), lançado em 14 de outubro de 2011.
Em seguida, Chloe interpretou Isabelle em Hugo (2011), de Martin Scorsese, uma adaptação cinematográfica de "The Invention of Hugo Cabret". "Hugo", que foi indicado a 11 Oscars, co-estrelou Asa Butterfield, Ben Kingsley, Sacha Baron Cohen e Helen McCrory. Moretz então estrelou Hick (2011), uma adaptação do romance de Andrea Portes. Ela atuou em Dark Shadows (2012), de Tim Burton, baseado na icônica série de TV Dark Shadows: The Vampire Curse (1966), no papel de Carolyn Stoddard, uma filha adolescente rebelde.
Em 2013, ela reprisou seu papel como Hit-Girl na sequência Kick-Ass 2 (2013), que recebeu críticas mistas, mas mais uma vez seu desempenho foi muito elogiado. No mesmo ano, ela também apareceu em um segmento curto no Filme 43 (2013) e interpretou a personagem-título em Carrie (2013), um remake de Carrie (1976), baseado em uma história de Stephen King e dirigido por Kimberly Peirce. Em janeiro de 2013, Moretz foi escolhido para interpretar Mia na adaptação cinematográfica de Gayle Forman's If I Stay (2014), que foi lançado em agosto de 2014. Em 16 de janeiro de 2014, foi anunciado que Moretz iria aparecer em um show off-Broadway dirigido por Steven Soderbergh intitulado "The Library".
Em 2014, Chloë participou de seis filmes: uma participação especial como jornalista em Muppets Most Wanted (2014), a protagonista feminina da prostituta Teri ao lado de Denzel Washington em The Equalizer (2014) e a festeira adolescente Annika com Keira Knightley e Sam Rockwell em Laggies (2014). Em dezembro, ela interpretou o papel da jovem atriz de Hollywood com uma reputação escandalosa Jo-Ann Ellis ao lado de Kristen Stewart e Juliette Binoche em Nuvens de Sils Maria (2014).
Em abril, foi anunciado que Chloë interpretaria o papel principal de Cassie Sullivan em The 5th Wave (2016), outra adaptação semelhante a The Hunger Games (2012), ao lado de Nick Robinson e Alex Roe. Mais tarde, foi anunciado que Chloë faria o papel feminino principal de Digger na adaptação cinematográfica do romance de Sam Munson, "November Criminals". O personagem de Moretz é o melhor amigo de Addison Schacht, interpretado por Ansel Elgort,
