Julie Anne Smith néven született. Édesapja, Peter Moore Smith ejtőernyős, majd katonai bíró volt azamerikai hadseregben, anyja, Anne Love (1940–2009) pszichológus; a család sosem töltött hosszabb időt egy helyen. Eredetileg orvos szeretett volna lenni. Amikor édesapjaNémetországban állomásozott, JulieFrankfurtban érettségizett, majd felvették a bostoni egyetem színjátszás szakára. Az egyetem utánNew Yorkba költözött, ahol kisebb szerepeket kapott a helyi kis színházakban, és emellett pincérnőként dolgozott. Mivel a szereplés egyik feltétele volt, hogy belépjen a színházi szakszervezetbe, kénytelen volt nevet is változtatni – hiszen eredeti nevének nem volt olyan kombinációja, amit valaki nem viselt volna már a szakmában. Ezért két keresztnevét összevonta, és felvette apja második nevét, így lett belőle Julianne Moore.
Az első filmszerepét egy televíziós szappanoperában játszotta1984-ben. Ezt követően két éven keresztül játszott a nagy múltúAs the World Turns című sorozatban. Néhány évtizeddel később,2010-ben már befutott sztárként egy epizódszerep erejéig újra csatlakozott a stábhoz.
Karrierje az1990-es évek elején kezdett felívelni, amikor sorra kapott főszerepeket olyan filmekben, mint a Robert Altman rendezteRövidre vágva (1993), aBérgyilkosok (1995), vagy akár Steven Spielberg rendezteJurassic Park II: Az elveszett világ (1997) című filmekben.
Első kritikailag is elismert alakítása aBoogie Nights volt, amelyért megkapta az elsőGolden Globe-díjra, illetveOscar-ra jelölését.Paul Thomas Anderson nagysikerű filmje az 1970-es években játszódik, Moore pedig egy népszerű pornószínésznőt játszik benne. Még ugyanebben a filmben szerepelt aGus Van Sant rendeztehitchcocki történetet feldolgozóPsycho című thrillerben. 1999-ben újra együtt dolgozottRobert Altmannal aCuki hagyatéka című filmdrámábanGlenn Close oldalán, ami pozitív kritikát kapott.
2000-ben két különböző kategóriában isGolden Globe-díjra jelölték: azOscar Wilde színművéből készültAz eszményi férj című vígjátékban nyújtott alakításáért a zenés film és vígjáték kategória, míg azEgy kapcsolat vége címűGraham Greene-adaptációban nyújtott játékáért a drámai kategória legjobb női alakításáért járó elismerésre terjesztették fel. Utóbbi filmért megkapta második Oscar-jelölését. 2002-ben a rangosvelencei filmfesztiválon a legjobb női alakítás díjával ismerték el aTávol a mennyországtól című filmben nyújtott játékáért. Ez csak kezdet volt, ugyanis újfent Golden Globe-díjra és Oscar-díjra is jelölték. A 2002-es évi Oscar-gála azért volt emlékezetes, mert Moore szokatlan módon két kategóriában is jelölt volt:Az órák című filmért is Oscar-díjra jelölték a legjobb női mellékszereplő kategóriájában.Stephen Daldry drámájában egy öngyilkossági hajlamokkal küzdő háziasszonyt alakítottMeryl Streep ésNicole Kidman oldalán. 2006-banClive Owen ésMichael Caine mellett főszerepet alakított aP. D. James brit krimiíró regényéből készültAz ember gyermeke című filmben. A sci-fi számtalan rangos elismerést és kecsegtető kritikát kapott. A2000-es években játszott olyan népszerű filmekben is, mint aFelejtés, aVálótársak, aNext – A holnap a múlté, vagy éppen aPippa Lee négy élete.
Jelentős kritikai visszhangot kapott a divattervezőTom Ford első rendezése, az 1960-as években játszódó dráma, azEgy egyedülálló férfi. Julianne Moore-t a filmben nyújtott alakításáért Golden Globe-díjra jelölték a legjobb női mellékszereplő kategóriájában. ElsőGolden Globe-díját2013-ban kapta meg, aVersenyben az elnökségért című film főszerepléséért, televíziós minisorozat vagy tévéfilm kategóriában, amelybenSarah Palin politikusnőt alakította.
A színészet mellett jelentős sikereket ért el gyermekkönyvek szerzőjeként is. Első könyve, a 2007-ben megjelentFreckleface Strawberry aThe New York Times bestsellerévé vált. A könyvből készült musicalt New Yorkban mutatták be 2010-ben. A történetből könyvsorozat lett: a negyedik rész 2013 szeptemberében jelent meg.
Magánéleti botrányokra még soha nem adott okot a bulvársajtónak. Kétszer házasodott. 1986 és 1995 között John Gould Rubinnal élt házasságban,2003-ban pedig a nála tíz évvel fiatalabb Bart Freundlich vezette oltár elé. Freundlichkel való kapcsolatából két gyermeke született: Caleb nevű fia1997-ben, Liv nevű leánya pedig2002-ben.
Moore támogattaBarack Obama amerikai elnök 2008-as és 2012-es elnökké választási kampányát.