Moore föddes i Roswell, New Mexico som dotter till tonårsmodern Virginia King. Modern gav henne namnet Demetria Guynes och uppgav att hennes make, Danny Guynes, var Moores far. Moore fick senare en bror, Morgan Guynes. Familjen flyttade runt innan de slog sig ner i Kalifornien.
Uppväxten var tumultartad. Förutom över 30 flyttar, separerade King och Guynes och Moore fick kännedom om att hennes biologiska far var Charles Harmon. Dessutom försökte hennes mor begå självmord vid upprepade tillfällen och vid 15 års ålder blev Moore utsatt för våldtäkt. Vid 16 års ålder hoppade hon av high school och två år senare gifte hon sig med rockmusikern Freddy Moore, vars efternamn hon använder som sitt professionella namn. Paret var gifta 1980–1985. Vid den tiden hade Moore gått in i ett missbruk av både alkohol och kokain för vilket hon behandlades i mitten på 1980-talet.[1]
Åren 1987–2000 var hon gift med skådespelaren Bruce Willis.[2] Med honom har hon tre döttrar: Rumer (född 16 augusti 1988), Scout (född 20 juli 1991) och Tallulah (född 3 februari 1994).
År 2005 gifte hon sig med den 16 år yngre skådespelaren Ashton Kutcher och antog hans efternamn, men valde att behålla Moore inom sin professionella karriär.[3] Paret väntade barn, men fick ett sent missfall. Därefter började Moore åter att missbruka alkohol och blev beroende av smärtstillande läkemedel.[1] Makarna separerade i november 2011 och skilsmässan fullbordades i november 2013.[3] Hon lades in på rehab 2012.[1]
År 1996 blev Demi Moore den högst betalade skådespelerskan i filmhistorien då hon fick 12,5 miljoner dollar för att spela Erin Grant i Striptease, där hon fick dansa topless. Hennes skådespelarkarriär fick en stor nedgång när filmen fick oerhört dåligt kritik, precis som hennes följande film G.I. Jane (1997). Efter privata motgångar tog hon en paus från att spela huvudroller i filmer, men medverkade i biroller i bland annat Charlies änglar – Utan hämningar (2003), Bobby (2006) och Mr. Brooks (2007).[1]
Hon inledde ett samarbete tillsammans med Oriflame 2012 då hon blev sminkmärkets ansikte utåt.[4] År 2019 gav hon ut boken Inside out.[2]