Vai diễn đầu tiên của cô ở Hollywood là vai Violet trong 2 tập của bộ phim truyền hình The Guardian, và vai diễn điện ảnh đầu tiên của cô là vai Molly trong phim Heart of the Beholder.

Cô vẫn còn vô danh cho đến vai diễn thứ hai của mình trên màn ảnh rộng vào năm 2005 với bộ phim làm lại The Amityville Horror, bộ phim đã giúp cô được đề cử Giải thưởng Nghệ sĩ trẻ xuất sắc.[12] Sau Amityville, Sự nghiệp của Moretz tiếp tục khởi sắc, cô nhận được một số vai diễn khách mời trên truyền hình, và được nhận một vai nhỏ trong Big Momma's House 2. Một trong những vai diễn đáng chú ý của cô trong thời điểm này là vai Kiki George trong phim Dirty Sexy Money, và Sherri Maltby trong phim Những bà nội trợ kiểu Mỹ. Moretz cũng lồng tiếng cho nhân vật Darby trong bộ phim hoạt hình My Friends Tigger & Pooh phiên bản Anh Mỹ.

Sau buổi công chiếu ra mắt phim The Amityville Horror, cô đã trở thành khách mời thường xuyên trong các buổi ra mắt phim. Cô đặc biệt yêu thích thời trang và ăn mặc theo phong cách đặc trưng của riêng mình.[13]

Vào năm 2010, Moretz vào vai Hit-Girl trong bộ phim có chủ đề siêu anh hùng mang tên Kick-ass, của đạo diễn Matthew Vaughn dựa theo cuốn truyện tranh cùng tên của họa sĩ Mark Millar và John Romita, Jr., cô đã nhận được rất nhiều lời khen ngợi tích cực. Moretz đã tập luyện trong khóa huấn luyện của Jackie Chan trong 3 tháng trước khi Kick-ass khởi quay và đã tự mình tham gia hầu hết các cảnh hành động nguy hiểm.[14] cũng trong năm đó, cô vào vai Abby, một ma cà rồng 12 tuổi,[15] trong bộ phim kinh dị Let Me In được làm lại từ bộ phim Thụy Điển Let the Right One In, công chiếu vào ngày 01 tháng 10 năm 2010.[16] Vai diễn tiếp theo của cô là Ann Sliger trong bộ phim tội ác kinh dị Texas Killing Fields.[17]

Một trong những vai diễn trong tương lai của Moretz là vai Isabelle trong bộ phim điện ảnh Hugo của đạo diễn Martin Scorsese được chuyển thể từ cuốn tiểu thuyết The Invention of Hugo Cabret,[18] và Hick, chuyển thể từ cuốn tiểu thuyết của Andrea Portes.[19]

Moretz đã được nhận vai chính trong dự án phim Emily the Strange. Dự án đã được đề cập 2 năm trước bởi chủ tịch Mike Richardson của Dark Horse Entertainment, ông đã thông báo kế hoạch đưa nhân vật Emily lên màn ảnh rộng. Dự án khởi đầu bằng một hình ảnh biểu tượng vào năm 1991 để thúc đẩy phong cách thời trang truyện tranh của Emily, loạt truyện tranh được tái xuất bản từ năm 2001 bởi Dark Horse Comics.[20]