Chloe Grace Moretz nasce nel febbraio 1997 ad Atlanta, Georgia, da madre infermiera e padre chirurgo plastico. Si trasferisce nel 2002 a New York insieme a sua madre e suo fratello maggiore Trevor, che viene accettato nella Professional Performing Arts School e le trasmette la passione per la recitazione, oltre a rimanere tuttora il suo acting coach.
I primi ruoli arrivano intorno al 2004-2005, prima con serie tv come The Guardian e My Name is Earl, poi con il ruolo della piccola Chelsea nel remake di Amityville Horror (2005), che ne rivela le qualità recitative e le apre definitivamente le porte dei casting. Continua con un po' di tv (Desperate Housewives), è al fianco di Jennifer Lawrence nel suo debutto da protagonista in The Poker House (2008) ed appare anche in 500 giorni insieme con Joseph Gordon-Levitt.
La sua precoce fama tuttavia non si assesta finché non veste i panni della scurrile Hit Girl in Kick-Ass (2010) di Matthew Vaughn, ruolo che ricoprirà anche nel sequel Kick-Ass 2 (2014). Tra questi due film la sua carriera decolla: è in Blood Story (2010), remake di Lasciami entrare, poi incrocia due grandi autori, lavorando con Martin Scorsese per Hugo Cabret (2011) e con Tim Burton per il gotico ironico Dark Shadows (2012). Pochi rimangono convinti dal remake Lo sguardo di Satana – Carrie (2013), anche se lei ha l'onore di dividere lo schermo con Julianne Moore.
Ultimamente ha provato a rispondere alla fama di storie young adult con il drammatico Resta anche domani (2014) e il tentativo di saga distopica La quinta onda (2016), che potrebbe non avere seguito. Le è forse andata meglio con la parte della prostituta Teri nel thriller The Equalizer – Il vendicatore (2014) al fianco di Denzel Washington.
Nel 2016 la vediamo sfidare Seth Rogen e Zac Efron nel politicamente scorretto Cattivi vicini 2.