Née d'un père pilote d'avion et d'une mère journaliste, Mandy Moore grandit à Orlando en Floride avec ses deux frères. A l'âge de 9 ans, elle se découvre une véritable passion pour la musique lors d'un camp d'été dédié au chant et au théâtre. Sa voie est toute tracée : elle sera chanteuse. Surnommée "National Anthem Girl" ("la fille de l'hymne national" pour sa participation au chant patriotique de pré-match lors de nombreuses manifestations sportives de la région), elle multiplie les publicités et les enregistrement de voix, et retient l'attention d'une maison de disques. Son premier album, So Real, sort en 1999, alors qu'elle a tout juste 15 ans. Deux autres suivront : I wanna be with you (2000) et Mandy Moore (2001).

Nouvelle égérie du public américain, elle participe à de nombreuses séries télévisées dans son propre rôle, puis se lance dans le cinéma en 2000, avec un rôle secondaire dans Princesse malgré elle, puis une apparition vocale dans Dr. Dolittle 2. En 2002, elle "explose" avec son interprétation de jeune étudiante romantique à la maladie incurable dans Le Temps d'un automne, qui lui vaut le titre de Révélation féminine de l'année aux MTV Movie Awards. La même année, elle tourne dans les comédies romantiques Try Seventeen aux côtés d'Elijah Wood, How to deal et Saved. Mandy Moore participe également aux bandes originales de ses films (Princesse malgré elle et Le Temps d'un automne), ainsi qu'à celle de Stuart Little 2.

Outre ses appararitions dans les séries Scrubs, How I Met Your Mother et Grey's Anatomy, Mandy Moore poursuit sa carrière d'actrice au cinéma dans les années qui suivent, et incarne notamment une candidate chanteuse dans American Dreamz, parodie de la célèbre émission de télé-réalité American Idol. Elle fait également une apparition dans le film de science-fiction Southland Tales (2006).

Désormais très présente sur grand écran, elle joue maintenant aux côtés des plus grands. Elle donne ainsi la réplique à Diane Keaton dans la comédie dramatique Because I Said So (2007), puis à Robin Williams dans la romance Permis de mariage, la même année. En parallèle, Mandy Moore continue à se consacrer au doublage de films d'animation : après Zig-Zag (2005) et Frère des ours 2 (2006), elle prête sa voix à Raiponce, nouvelle princesse des studios Disney, en 2010.

Relativement rare au cinéma, Mandy Moore est très active sur le petit écran où elle prête sa voix à des personnages des séries (Tron - La Révolte, High School USA !, Shérif Callie au Far West, etc.). Elle campe tout de même l'un des rôles principaux du film de requins 47 Meters Down (2017) et du film de guerre Midway (2019). Parallèlement, la comédienne incarne la mère courageuse de la série à succès This Is Us, qui remporte un succès important tant chez le public que la critique.