Julianne Moore nació Julie Anne Smith en Fort Bragg, Carolina del Norte el 3 de diciembre de 1960, hija de Anne Love, trabajadora social, y Peter Moore Smith, paracaidista, coronel y más tarde juez militar. Su madre se mudó a los Estados Unidos en 1951, desde Greenock, Escocia. Su padre, de Burlington, Nueva Jersey, tiene ascendencia alemana, irlandesa, galesa, germano-judía e inglesa.

Debido a la profesión de sus padres, Julianne Moore pasó la mayor parte de su infancia entre Estados Unidos y Alemania. En 1979 ingresó en la Escuela de Bellas Artes de la Universidad de Boston, ya que deseaba convertirse en actriz.

Sus inicios se dieron en la televisión a mediados de los 80, donde comenzó a trabajar en telenovelas. Fue hasta 1990 cuando aparece por primera vez en la pantalla grande en el filme Darkside, para luego interpretar breves, pero sustanciosos personajes en La mano que mece la cuna (1992) y El fugitivo, filme por la que llamó la atención de Steven Spielberg, quien la contrató sin hacer casting en El mundo perdido, secuela de Parque Jurásico.

En Safe (1995), Nueve Meses (1995) y Asesinos (1995) se empezó a posicionar la actriz, pero fue hasta 1997 con su papel de estrella porno en Boogie Nights, de Paul Thomas Anderson, que impactó al público y a la prensa, hasta llegar al Oscar, que ganó como Mejor Actriz de Reparto.

Tras ello llegó el éxito y la colaboración con cineastas de renombre, como los hermanos Coen (The Big Lebowski), Robert Altman (Cookie's Fortune), Gus Van Sant (Psycho) y el propio Anderson, quien le volvió a dar un papel en Magnolia en 1999. Ese mismo año, la actriz volvió a ser nominada al Oscar, ahora como Mejor Actriz, en El Ocaso de un Amor, donde compartió créditos con Ralph Fiennes.

Ya siendo una estrella internacional, Moore sustituyó a Jodie Foster al interpretar a Clarice Starling en Hannibal (2001), secuela de El Silencio de los Inocentes. 

Movida entre el cine comercial y el independiente, participó en cintas como Los niños del hombre, Atando cabos, Ceguera, Un hombre soltero, Los niños están bien, Chloe, Loco y Estúpido Amor, Carrie y la saga de Los Juegos del Hambre. 

Es una de las pocas actrices en recibir una doble nominación al Oscar el mismo año. Y es que en el año 2003 compitió en las ternas de Actriz y Actriz de Reparto por sus brillantes interpretaciones en Lejos del Cielo y Las Horas, respectivamente. Y aunque se fue a casa con las manos vacías, su popularidad con sus fans y con los críticos aumentó.

Fue hasta el 2015 que la actriz arrasó con los premios (Oscar, Globos de Oro y Screen Actor Guild Awards) gracias a su participación en Siempre Alice, donde interpretó a una mujer que sufre de Alzheimer.

Actualmente, se encuentra grabando una serie bajo la dirección de David O. Russell.