Демидова Алла Сергеевна родилась 29 сентября 1936 года в Москве. Мать - Харченко Александра Дмитриевна, лаборант кафедры экономического факультета МГУ, отец - Демидов Сергей Алексеевич, погиб на фронте при взятии Варшавы в 1944 г.

С самого детства Демидова мечтала стать актрисой, во время учебы в школе участвовала в школьных спектаклях, а также часто выступала с монологами, среди которых был монолог Катерины из "Грозы" и отрывок из "Анны Карениной".

Окончив школу Алла Демидова пробовала поступить в Театральное училище имени Б.В.Щукина, но из-за плохой дикции ей это не удалось. Вместо этого Демидова поступает на экономический факультет МГУ, по окончании которого (1959) становится соискателем ученой степени и начинает вести семинарские занятия по политэкономии для студентов философского факультета.

Во время учебы в университете, еще на третьем курсе, Алла становиться участницей Студенческого театра МГУ, где играет свою первую заметную роль - Лиду Петрусову в "Такой любви" Павла Когоута (режиссер Ролан Быков, 1958). Впоследствии потаенное, сдержанное, маскируемое самоиронией страдание, которым актриса наделила этот образ, стало чертой многих ее героинь, одной из вариаций ее сценической Темы.

Продолжая играть в Студенческом театре, Демидова поступает в студию при театре имени Ленинского комсомола (руководители - М.Шатров, В.Ворошилов), откуда через год ее исключают как "профнепригодную". Результатом становится новая, на сей раз успешная, попытка поступления в Щукинское училище. Демидова попадает на курс педагога Анны Орочко. Дипломный спектакль "Добрый человек из Сезуана" (Демидова - госпожа Янг), поставленный на курсе Юрием Любимовым (1963), взрывает устоявшиеся "псевдомхатовские" представления о театральном искусстве и начинает новую эру в истории Советского театра - эру "Таганки", сочетающей почти уничтоженные к тому времени традиции Мейерхольда с традициями политического театра Брехта, дающего актеру возможность отчуждения от образа и прямого контакта со зрительным залом.

Официально Театр на Таганке открывается в апреле 1964 года в помещении Московского театра драмы и комедии. Прежний коллектив реорганизован. Среди тех, кого Любимов считает костяком нового театра - Алла Демидова.

Однако, лидером ранней "Таганки" она не становится, играет в ту пору в основном небольшие роли. Слава приходит из кино: в 1966 году она получает главную роль в фильме Игоря Таланкина "Дневные звезды" - экранизации автобиографической повести Ольги Берггольц. Фильм, непривычным, поэтическим языком повествовавший об ужасах Ленинградской блокады, купирован и положен "на полку", однако игра Демидовой замечена профессионалами - актриса получает одну кинороль за другой, критики, чьей любовью она начинает пользоваться с тех пор, сравнивают ее манеру игры с манерой Смоктуновского. По итогам опроса журнала "Советский экран" Демидова названа самой перспективной актрисой 1968-го года.

С 68-го года начинает играть ведущие роли и в любимовских театральных постановках: Эльмира в "Тартюфе" (1968), пани Боженцкая в "Часе Пик" (1969), Гертруда в "Гамлете" (1971).

С середины 70-х она получает в Театре на Таганке роли, которые делают ее одной из заметных актрис: Милентьевна ("Деревянные кони", 1974), Раневская ("Вишневый сад", 1975, реж. А.Эфрос), мать Раскольникова ("Преступление и наказание", 1979), Маша ("Три сестры", 1981), Марина Мнишек ("Борис Годунов", 1982). Однако неудовлетворенность своей актерской судьбой в режиссерском театре Любимова заставляет Демидову и ее друга и сценического партнера Владимира Высоцкого заняться поисками пьесы на двоих. Репетируют "Крик" Теннесси Уильямса, одновременно Высоцкий задумывает сценическую композицию по "Федре" Жана Расина. Воплощение обоих замыслов оборвалось в июле 1980-го со смертью Высоцкого.

В 70-е-80-е Демидова также является одной из самых популярных киноактрис. Среди ее ролей: Мария Спиридонова ("Шестое июля", 1968), Леся Украинка ("Иду к тебе", 1972), Аркадина ("Чайка", 1972), Лизавета Павловна ("Зеркало", 1974), Герцогиня Мальборо ("Стакан воды", 1979), Елена Протасова ("Дети солнца", 1985) и некоторые другие.

В 1988 году началось сотрудничество Демидовой с режиссером Романом Виктюком, в чьей постановке "Федра" по пьесе Марины Цветаевой актриса наконец заявляет о себе как о трагической и одновременно синтетической актрисе, владеющей и современной пластикой, и поэтическим словом. Одновременно ведутся переговоры о "Федре" Расина с французским режиссером Антуаном Витезом. Репетиции обрываются смертью режиссера в 1990 году.

В конце 80-х - начале 90-х "Федра" Виктюка успешно гастролирует по Европе и Америке. Стильность Демидовой, ее тяготение к четкой сценической форме и ярко выраженное личностное начало оказываются очень востребованы Западом, где она считается звездой и образцом современной русской актрисы.

После возвращения на "Таганку" Юрия Любимова Демидова играет Марину Мнишек в возобновленном "Борисе Годунове" (1988), Донну Анну в "Пире во время чумы" (1989), Электру в "Электре" Софокла (1992). Все больше тяготеет к сольным трагическим ролям.

В 1994 году пути Демидовой и Театра на Таганке расходятся. Формально считаясь актрисой Любимова, Демидова фактически пускается в "свободное плавание".

В 1993 году она создает собственный театр "А" и начинает сотрудничать с греческим режиссером Теодоросом Терзопулосом. Играет в его постановках: Мертей ("Квартет" Х.Мюллера, 1993), Медею ("Медея" Мюллера-Еврипида, 1996), Гамлета ("Гамлет-урок" по В.Шекспиру, 2001).

В кино 90-х Демидова появляется как некий символ, придающий глубину и объем подчас поверхностным картинам. Ее небольшие роли, как и прежде, смотрятся самоценными, отточенными номерами, полными внутренней эксцентрики и гротеска. Но и в больших, и в малых ролях, в каждом слове и жесте ее персонажей проглядывают уникальные судьба и личность. Среди ролей: Лебядкина ("Бесы", 1992), императрица Елизавета ("Незримый путешественник", 1999), мисс Минчин ("Маленькая принцесса", 1999), Эльза ("Письма к Эльзе", 2001). В конце 2001 снимается в роли Алисы Коонен в фильме "Смерть Таирова".

Находясь уже около 10 лет в "свободном плавании" (исключение - сотрудничество с театром "Школа драматического искусства", где она сыграла Донну Анну в спектакле Анатолия Васильева "Дон Жуан или "Каменный гость" и другие стихи"), Демидова по-прежнему остается звездой, окруженной - из-за жесткой избирательности в ролях и замкнутой личной жизни - ореолом таинственности. Следуя древним комедиантским традициям, она ездит по разным уголкам мира со спектаклями, поэтическими вечерами и мастер-классами. В Москве выступает лишь изредка, и тогда рецензенты отмечают, что "этой Коонен нужен свой Таиров". В ожидании его наделенная литературным талантом актриса написала шесть книг, размышляя о природе искусства и вспоминая современников.

В 1981 году А. Демидова сыграла Лору Лайонс в телефильме Собака Баскервилей, одной из частей телесериала Игоря Масленникова по произведениям Артура Конан Дойла о Шерлоке Холмсе и докторе Ватсоне, а в 2002 году — Эльзу, пациентку палаты для умалишённых, в фильме «Письма к Эльзе» (сценарий к которому написал сын В. Высоцкого Аркадий).

В 2004 году значительный резонанс имел фильм «Настройщик» Киры Муратовой, где А. Демидовой досталась роль «комической старухи». За эту роль А. Демидова получила три премии: «Ника-2005», «Золотой Овен-2005» и «Золотой Орел-2006» (все три — в номинации «Лучшая женская роль»), а также — с Ниной Руслановой на двоих — приз «За лучшее исполнение женской роли» от II Международного кинофестиваля «Европа — Азия» в Алма-Ате. 3 июля 2006 года Демидова представила фильм «Настройщик» в Каннах: он прошёл там в рамках программы Русского Фестиваля.

В 2004 году на экраны вышел фильм Б. Бланка «Смерть Таирова», где Демидова сыграла роль Алисы Коонен.

В январе 2005 года А. Демидова выступила в Кракове на концерте, посвященном 60-летию со дня освобождения узников «Освенцима», где перед залом, где присутствовали президенты четырёх стран, прочла отрывки из дневников узников лагеря. Месяц спустя она выступила в Мальтийском дворце в Гатчине в рамках XI Российского кинофестиваля «Литература и кино» с поэтическим вечером «От Пушкина до Бродского».

В марте того же года на кинофестивале «Литература и кино» она получила приз губернатора Ленинградской области «За выдающийся вклад в развитие театрального искусства и кинематографии России».

В сентябре-октябре 2005 года А. Демидова приняла участие в нескольких вечерах, посвящённых 80-летию со дня рождения А. В. Эфроса («Памяти Мастера» на Страстном; в театре «Школа драматического искусства» на Сретенке). В конце года она дала пять концертов в Израиле.

В 2006 году А. Демидова в фильме И. Масленникова «Русские деньги» (по пьесе Островского «Волки и овцы») сыграла Мурзавецкую — «старуху с сильным характером». В том же году А. Демидова в качестве ведущей снялась в «Ожидании императрицы», документальном фильме С. Костина о Марии Федоровне, матери Николая Второго, съёмки которого прошли в Гатчина и Дании. Премьера фильма состоялась 23 сентября 2006 года.

В октябре 2006 года Демидова выступила на концерте в Большом Зале Консерватории, посвященный памяти Митрополита Питирима (где прочла стихи Блока и Ахматовой).

19 декабря 2006 года в Камерном зале Московского Дома музыки она прочла «Книгу Иова» в сопровождении Свято-Никольского хора Третьяковской галереи под руководством Алексея Пузакова.

В 2007 году А. Демидова провела серию авторских концертов: «Поэты XX века: от Блока до Бродского», «Два Тарковских», «Анна Ахматова. Марина Цветаева» (в Киеве), «От Пушкина до Бродского» (в Болдино), «Поэзия Ахматовой и Цветаевой» (в Минске).

В декабре того же 2007 года в Кремле актрисе был вручен Орден «За Заслуги перед Отечеством» IV степени (по Указу от 9 мая 2007 года).

В 2008 году А. Демидова заявила, что практически утратила интерес к актёрской работе и теперь откликается лишь на отдельные проекты, которые ей интересны.

В апреле 2008 года на Остоженке прошёл спектакль К. Серебренникова «Демон». Текст поэмы М. Ю. Лермонтова исполнила Алла Демидова. В ноябре с чтецкой программой, посвященной поэме «Демон», актриса выступила в Московском международном Доме музыки, повторив её 25 января 2009 года в Концертном зале им. Чайковского.

Весной 2009 года А. Демидова (наряду с И. Антоновой) стала инициатором серии «Поэтических мартовских вечеров по четвергам» в Музее частных коллекций (ГМИИ им. Пушкина) и 5 марта выступила с программой стихов М. Цветаевой. 3 апреля в Большом зале Консерватории состоялся концерт хора под управлением В. Н. Минина, на котором Алла Демидова прочла стихотворение Г. Державина «Бог» и отрывки из поэмы А. К. Толстого «Иоанн Дамаскин».

30 июня 2009 года А. Демидовой и С. Юрскому была впучена премия «Кумир» — «За высокое служение искусству».

Начиная с 1980 года Алла Демидова много времени уделяла литературному труду. Её перу принадлежат восемь книг, тема которых — воспоминания и размышления о природе театра и актёрского мастерства.

Демидова-литератор дебютировала к 1980 году с книгой «Вторая реальность». За нею последовали «А скажите, Иннокентий Михайлович…» (1988), «Владимир Высоцкий» (1989), «Тени зазеркалья» (1993), «Бегущая строка памяти» (2000). Специалисты отмечали необычную, индивидуальную манеру её письма.

В 2006 году вышла книга «Ахматовские зеркала» (демидовское толкование «Поэмы без героя»), которую Д. Быков охарактеризовал как одну из «самых тонких и проницательных литературоведческих работ».

14 мая 2009 года состоялась презентация дополненного и уточненного издания книги.

В 2010 году вышла новая книга Демидовой «Письма к Тому». В основу её легла реальная переписка актрисы с профессором Гарвардского университета Томом Батлером и дневниковые записи; основная тема произведения — жизнь российской интеллигенции в 1990−е годы. В этом же году актриса начала работу над новой книгой, «Вспоминая Вишневый сад», основанную на сохранившихся дневниковых записях разговоров и размышлений А. Эфроса на репетициях, актёрских заметках на полях роли.

В 2012 году Демидова появилась в кинофильме той Киры Муратовой «Вечное возвращение», где вместе с ней также снялись Олег Табаков и Рената Литвинова.

В 2014 году актриса снялась в кинокартине «Яхонты. Убийство».

До 2015 года актриса и писательница Алла Демидова состояла в браке с киносценаристом Владимиром Валуцким (1936-2015), с которым познакомилась в 1961 году.