Chloe Moretz a débuté sa carrière à l'âge de 7 ans. Elle fait ses débuts à la télévision, en prêtant sa voix à l'un des personnages de la série Winnie l'ourson. En 2004, elle joue dans deux épisodes de la série le protecteur, avant de faire ses débuts l'année suivante dans le film Heart of the Beholder. Cette même année, elle tient l'un des premiers rôles du film Amityville, une performance qui la ferra remarquer et orientera sa carrière vers le cinéma de genre.
A la télévision, elle apparaît en 2006, dans les séries Desperate Housewives et surtout Dirty Sexy Money.
Suivent, au cinéma, Big Mamma 2, Zombies, Room 6, ou bien encore The Eye.
A l'origine prévue pour doubler le personnage féminin principal de Volt, star malgré lui, elle ne lui prêtera sa voix que dans les premières scènes, Disney préférant au dernier moment miser sur sa star, Miley Cyrus.
En 2010, elle sera la révélation du film Kick-Ass. La même année, elle joue une vampire dans Laisse-moi entrer.