Née en Californie, Soleil Moon Frye avait tout pour faire une carrière à Hollywood puisqu'elle est la fille du comédien Virgil Frye. Rapidement, elle suit ses traces puisqu’elle fait ses débuts d’actrice à seulement deux ans.

Sa mère devient sa manager et, dès le début des années 1980, Soleil Moon Frye s’illustre dans plusieurs téléfilms comme Missing Children : A Mother’s Story de Dick Lowry (1982) et Who Will Love My Children ? de John Erman (1983) dans lequel elle donne la réplique à Ann-Margret.

Mais c’est en 1984 que sa carrière explose lorsqu’elle obtient le rôle principal de la série Punky Brewster. Pendant quatre ans et 88 épisodes, la petite fille est le visage de Penelope Brewster, une fillette attachante que les téléspectateurs adoptent. Grâce à ce personnage iconique, l’actrice obtient à deux reprises (en 1986 et 1989) le Young Artist Awards de la meilleure jeune actrice.

Lorsque la série s’arrête en 1988, Soleil Moon Frye voit sa carrière nettement ralentie en raison de sa spectaculaire poussée de croissance. Atteinte d’hypertrophie virginale, elle subit de nombreuses discriminations de la part des producteurs, réticents à engager une jeune adolescente dotée d'une trop forte poitrine. Quelques mois avant son seizième anniversaire, la comédienne décide donc de procéder à une réduction mammaire qui sera très médiatisée.

Par la suite, Soleil Moon Frye tourne son premier film pour le cinéma, The Liar's club de Jeffrey Porter (1993). Dans ce long-métrage, elle donne la réplique à Brian Krause qu’elle retrouve quelques années plus tard dans un autre film, Flirt avec la mort de Kevin Alber (1996).

Enfin, la comédienne se diversifie et passe pour la première fois derrière la caméra en coréalisant avec Meeno Peluce le film Wild Horses (1998).

En 2000, l’actrice retrouve un nouveau rôle récurrent sur le petit écran avec le personnage de Roxie King dans la série Sabrina, l’apprentie sorcière.

À cette époque, la jeune femme se fait également un nom dans l’univers du doublage de séries d’animation en prêtant sa voix à Jade dans Bratz ainsi que Zoey Howser dans Cool Attitude. En outre, elle passe une deuxième fois derrière la caméra avec le documentaire Sonny Boy dans lequel elle évoque avec pudeur sa relation avec son père, Virgil Frye.

Après plus de quinze ans de pause, Soleil Moon Frye retrouve les plateaux de tournage en 2019 avec le téléfilm Un décor de rêve pour Noël d’Amy Barrett. Mais son vrai retour s’effectue avec la suite de la série Punky Brewster en 2021, vingt-trois ans après son arrêt. L’actrice reprend son rôle iconique dans dix épisodes de cette suite, dont elle assure aussi la production.

Cette même année, elle fait également son retour au cinéma avec le thriller The Cleaner d’Erin Elders aux côtés de Luke Wilson et Lynda Carter. Enfin, elle réalise un nouveau documentaire, Kid 90, sur les jeunes starlettes ayant grandi à Hollywood dans les années 1990.

En 2022, Soleil Moon Frye rejoint le casting vocal de la série d’animation Cool Attitude : Encore plus cool dans laquelle elle double le personnage de Zoey. En 2025, l’actrice produit et réalise la mini-série The Carters : Hurts to Love You.