Moretz sinh ra ở Atlanta, Georgia, và lớn lên ở Cartersville, Georgia.[3] Mẹ của cô, Teri (née Duke, sinh ngày 07 tháng 9 năm 1961)[4], là một y tá và cha cô, McCoy Lee Moretz (sinh ngày 29 tháng 5 năm 1957)[5], là một bác sĩ phẫu thuật thẩm mỹ.[6][7] Cô có bốn người anh lớn tuổi hơn là: Brandon, Trevor, Colin và Ethan.[8] Cô đã mô tả gia đình cô là "rất sùng Kito giáo".[9] Cô chuyển đến thành phố New York vào năm 2002 cùng với mẹ và anh trai Trevor vì cô đã được nhận vào trường nghệ thuật biểu diễn chuyên nghiệp Professional Performing Arts School, nơi khiến cô thêm yêu thích diễn xuất. Moretz sẽ giúp Trevor nghiên cứu lí thuyết,[10] và anh đã dạy cô một số kỹ thuật diễn xuất mà anh đã học được ở trường. Khi Moretz nhận ra mình rất yêu thích diễn xuất, gia đình cô đã quyết định cho cô tham gia thử vai để thử xem cô có thể áp dụng kỹ năng diễn xuất chuyên nghiệp của mình hay không.[11]