Chloë Moretz est né à Atlanta, en Géorgie. Son père, McCoy, est un chirurgien plastique, et sa mère, Teri, est une infirmière praticienne. Moretz a quatre frères aînés, Brandon, Trevor, Colin et Ethan. Elle a décrit sa famille comme étant "très chrétienne" . Un de ses frères, Trevor Moretz, est son coach et l'accompagne sur les voyages et les dates de la presse quand ses parents sont incapables d'y assister.
Moretz s'est déplacé de la Géorgie à New York en 2001 avec sa mère et son frère aîné Trevor, parce qu'il a été accepté dans une école professionnelle des arts du spectacle qui, initialement, ont éveillé son intérêt à agir. Sa carrière à Hollywood a commencé quand elle et le reste de sa famille a déménagé à Los Angeles en 2003.
Chloë Moretz a commencé sa carrière de comédienne à l'âge de sept ans. Son premier rôle à Hollywood était Violet dans deux épisodes de la série The Guardian, et son premier rôle au cinéma était Molly dans Heart of the Beholder. En 2005, elle est choisie dans le film Amityville : sa performance dans le rôle de Chelsea Lutz lui vaut une nomination pour les Young Artist Awards.
Chloë Moretz fait également une brève apparition dans la série Earl ainsi que dans Desperate Housewives en 2006, avant de s'imposer sur le petit écran dans la série Dirty Sexy Money. Elle enchaîne alors les petits rôles au cinéma : Big Mamma 2, Zombies, Room 6, Evil Ground ou encore The Eye. En 2008, elle joue ses premiers rôles majeurs : elle prête sa voix a Penny (jeune) au dessin animé de Walt Disney Volt, star malgré lui et apparaît dans le long-métrage acclamé au festival de Sundance : (500) jours ensemble.
En 2010, elle joue Hit Girl dans le film Kick-Ass. Ce personnage est un des plus importants, mais surtout le plus controversé. En effet, alors que Chloë Moretz apparaissait jusqu'ici dans des films tout public, Kick-Ass est violent au point d'être classé R par la MPAA. Alors, elle n'aurait pas pu regarder le film si elle ne faisait pas partie de la distribution.
En 2010, elle joue ensuite le rôle d'une vampire de douze ans prénommé Abby pour le remake du film suédois Morse, intitulé Laisse-moi entrer (Let Me in). Elle a plusieurs projets parmi lesquels L'Invention de Hugo Cabret, le prochain film de Martin Scorsese. Elle continuera dans les adaptations de comics avec Kick-Ass 2: Balls to the Wall et Emily the Strange.
