Джулианна Мур родилась 3 декабря 1960 года в Фейетвилле, штат Северная Каролина. Отец будущей актрисы, Питер Мур Смит, был военным судьёй, а мать, Анна, была занята на социальной работе психиатром. Мур была старшим ребёнком в семье, где у неё была младшая сестра Валери и брат Питер Мур Смит-младший. Всё детство семья провела в переездах с одного места на другое; Мур училась в американском колледже города Франкфурт-на-Майне, Германия, по окончании которого в 1979 году поступила в «Школу искусств Бостонского университета». В 1983 году она получила степень бакалавра и переехала в Нью-Йорк, где Джули Энн Смит стала Джулианной Мур: в Гильдии актёров оказалось, что её имя уже «занято», поэтому Мур пришлось придумать себе новое.

Актриса была дважды замужем: за Джоном Гулдом Рубином (1986—1995 гг.), и за режиссёром Бартом Фрейндлихом (пара живёт вместе с 1996 года, брак оформлен с августа 2003 года). Мур старше мужа на 9 лет. У Мур и Фрейндлиха два ребёнка: сын Калеб (родился 4 декабря 1997 года) и дочь Лив Хелен (родилась 11 апреля 2002 года).