Moretz se mudou de Cartersville, estado da Geórgia, a Nova Iorque em 2002, com sua mãe e seu irmão mais velho, Trevor, pois ele foi aceito na Professional Performing Arts School, que foi o que lhe deu o interesse em atuar. Trevor ensinou-lhe algumas das técnicas de atuação que ele aprendeu na escola. Quando Moretz percebeu o quanto ela gostou da atividade, a família decidiu participar de alguns testes para ver se ela poderia aplicar suas habilidades profissionais.[7]
Moretz fez aparições na série The Guardian, como Violett e no filme para a TV The Family Plan. Aos oito anos de idade, participou no seu primeiro filme para o cinema, como Molly em Heart of the Beholder. Mas o sucesso de Chloë veio com a nova versão do filme The Amityville Horror, no papel de Chelsea Lutz, co-estrelando com Ryan Reynolds e Melissa George. Por este papel, foi indicada para o Young Artist Award.[8] Este sucesso lhe proporcionou vários convites para participações em seriados de TV, incluindo dois episódios de Desperate Housewives.
Em 2006, Chloë reapareceu no cinema com o filme Big Momma's House 2, no papel de Carrie Fuller, além de atuar em Wicked Little Things e Room 6. Em 2008 atuou ao lado de Jennifer Lawrence em The Poker House, filme baseado na vida da diretora Lori Petty. Em 2010, Chloë atuou em Let Me In, onde interpretou a protagonista Abby. Em outubro de 2011 foi lançado Hugo, filme de Martin Scorsese. No filme Chloë interpreta Isabelle. Em 2010 ela também esteve em Kick-Ass. Em 2011 o diretor Tim Burtona escalou para interpretar Carolyn Stoddard em Dark Shadows. No filme Chloë contracena com Michelle Pfeiffer, Johnny Depp e Helena Bonham Carter.