Fille de militaire, Julianne Moore passe son enfance à déménager entre les Etats-Unis et l'Allemagne. Elle fait ses études au sein de l'école américaine de Francfort dont elle sort diplômé en 1979, puis décide de suivre une formation à l'Ecole des Beaux Arts de l'université de Boston. Elle débute sa carrière d'actrice dans des pièces de théâtre comme Serious Money de Caryl Churchill. Au milieu des années quatre-vingt, elle commence à travailler pour la télévision, en apparaissant dans de nombreux soap operas et autres séries comme B.L. Stryker (1989). C'est ainsi qu'elle gagne un Emmy Award pour sa performance dans le feuilleton As the world turns en 1988. Il faut attendre 1990 pour la voir faire ses premiers pas sur le grand écran. C'est en effet dans Darkside les contes de la nuit qu'elle fait sa première apparition au cinéma. Elle y interprète la malheureuse victime d'une momie. On la retrouve deux ans plus tard dans le thriller La Main sur le berceau aux cotés de Rebecca de Mornay. Puis, en 1994, elle devient Yelena dans Vanya, 42nd street du réalisateur français Louis Malle. Julianne Moore gravit petit à petit les échelons de la hiérarchie hollywoodienne jusqu'à ce que Todd Haynes lui offre le premier rôle de Safe. Sa prestation de Carol White, une femme de ménage, dont la vie bascule le jour où elle développe une allergie à tout ce qui l'entoure, lui vaut un Independent Spirit Award. Steven Spielberg, interpelé par son interprétation dans Le Fugitif (1993), lui propose en 1997 d'incarner le docteur Sarah Harding dans Le Monde perdu sans même lui faire passer d'audition. La même année, celle-ci accepte de jouer le rôle d'une actrice porno des seventies dans Boogie nights de Paul Thomas Anderson, et se retrouve citée en 1998 pour l'Oscar de la meilleure actrice. Julianne Moore continue sur sa lancée en étant nominée à cette récompense pour la deuxième fois de sa carrière grâce à La Fin d'une liaison en 1999.

Dès lors, nombreux sont les réalisateurs à vouloir diriger cette actrice rousse au physique élégant et raffiné. En 2000, celle-ci est contrainte de décliner le rôle d'Audrey Dunn dans Incassable pour se glisser dans la peau de l'agent Clarice Starling dans Hannibal de Ridley Scott. L'année suivante, elle s'essaie à la comédie en allant chasser les méchants extra-terrestres aux cotés de David Duchovny dans Evolution. En 2003, Julianne Moore décroche une troisième nomination à l'Oscar de la meilleure actrice grâce à son personnage d'épouse modèle, confrontée à une triste réalité, dans Loin du paradis. Preuve incontestable qu'elle est devenue une véritable star : elle partage, à importance de rôle égale, l'affiche de The Hours avec Meryl Streep et Nicole Kidman. L'année suivante, elle forme avec Pierce Brosnan un drôle de couple d'avocats dans la comédie romantique Une affaire de coeur (2004). Elle retrouve ensuite David Duchovny à l'affiche de la comédie dramatique Trust the Man. En 2006, elle rejoint le casting du film de science-fiction Les Fils de l'homme sous la direction d'Alfonso Cuaron.