Figlia di Anne Love, assistente sociale psichiatrica, emigrata negli Stati Uniti dalla Scozia, e Peter Moore Smith, avvocato militare, giudice, pilota d'elicottero e Colonnello dell'esercito di discendenze albanesi, nasce nel Nord Carolina il 3 dicembre 1960.  A causa del lavoro del padre, è cresciuta tra gli Stati Uniti e l'Europa, studiando alla Frankfurt American High School di Francoforte, in Germania, diplomandosi nel 1979, e laureandosi infine in Belle Arti presso l' Università di Boston. 
Nel 1983, all'età di 23 anni, si trasferisce a New York, dove lavora per qualche tempo come cameriera e inizierà a  muovere i primi passi apparendo in varie produzioni teatrali off-Broadway. Il successo ottenuto con la piéce Serious Money la mette in luce agli occhi di alcuni produttori televisivi, che la ingaggiano per interpretare un doppio ruolo nella soap opera Così gira il mondo, grazie a questa parte nel 1988 vince un Emmy Awards quale miglior attrice.

Dal quel momento per l'attrice inizia una lunga gavetta televisiva e cinematografica, che la porta ad ottenere ruoli marginali in film come La mano sulla culla, Body of Evidence - Corpo del reato e Benny & Joon. Inizia ad ottenere i primi riconoscimenti, venendo canditata all'Independent Spirit Awards 1994 come miglior attrice non protagonista per America oggi di Robert Altman, due anni più tardi viene nominata nuovamente al premio come miglior attrice protagonista per Safe di Todd Haynes. Con Haynes inizia una proficua collaborazione, che la porta ad apparire in quasi tutti i suoi film, diventando sua attrice feticcio. Grazie ai molti riconoscimenti ottenuti, inizia ad ottenere parti in film di stampo hollywoodiano, come la commedia Nine Months - Imprevisti d'amore e  Il mondo perduto - Jurassic Park. Nel 1998 ottiene la sua prima candidatura all'Oscar come miglior attrice non protagonista per Boogie Nights - L'altra Hollywood di Paul Thomas Anderson, due anni dopo viene nominata nuovamente all'Oscar come miglior attrice per il film Fine di una storia, oltre ad aver recitato in altri due film che le valsero premi: La fortuna di Cookie, Un marito ideale e Magnolia, dove torna ad esser diretta da Anderson. Negli anni seguenti si alterna tra produzioni commerciali e film indipendenti e nel 2001 accetta di recitare in Hannibal, ereditando il ruolo dell'agente dell'FBI Clarice Starling che fu di Jodie Foster ne Il silenzio degli innocenti.

Nel 2003 ottiene una doppia candidatura all'Oscar, come miglior attrice per Lontano dal paradiso ancora sotto la regia del grande amico Haynes, per la cui interpretazione però riceve la Coppa Volpi al Festival di Venezia, e come non protagonista per The Hours, ma anche questa volta non le viene assegnata l'ambita statuetta, vince per quest'ultimo film nel 2003 il premio IOMA come migliore attrice non protagonista. Infatti è una delle poche attrici ad aver ottenuto la doppia candidatura e una delle tre che le ha perse tutte e due insieme a Sigourney Weaver nel 1989 e Cate Blanchett nel 2008.

Negli anni seguenti partecipa a svariate pellicole più o meno di successo come Il colore del crimine, The Forgotten, I figli degli uomini e Next, quest'ultimo si è dimostrato un flop al botteghino. Nel 2007 è protagonista del controverso ed incestuoso film di Tom Kalin Savage Grace, nello stesso anno viene di nuovo diretta da Todd Haynes, che le riserva una piccola parte nel pluripremiato Io non sono qui.

Nel 2008 partecipa al film di Fernando Meirelles Blindness - Cecità, presentato al Festival di Cannes 2008 e al Toronto Film Festival, successivamente prende parte all'esordio alla regia dello stilista Tom Ford con A Single Man.

Nel 2010 recita con Annette Bening nella commedia I ragazzi stanno bene di Lisa Cholodenko. Sempre nel 2010 partecipa al famoso calendario Pirelli, l'edizione 2011 è firmata Karl Lagerfeld e ha come tema la mitologia, la Moore veste i panni di Era.  Nel 2011 ha recitato nel film Crazy, Stupid, Love.