Родилась 29 сентября 1936 года в Москве.
С раннего детства хотела стать актрисой, участвовала в самодеятельности, играла в школьных спектаклях.
После школы, не пройдя конкурс в Театральное училище им. Б.В. Щукина из-за плохой дикции, поступила на экономический факультет МГУ, который окончила в 1959 году. По окончании Университета стала соискателем ученой степени и начала вести семинарские занятия по политэкономии для студентов философского факультета. Еще учась на третьем курсе, пришла в Студенческий театр МГУ.
В 1959 году поступила в Щукинское училище на курс педагога Анны Орочко. Сыграв в 1963 году в дипломном спектакле «Добрый человек из Сезуана» (госпожа Янг) в постановке Юрия Любимова, в 1964 году вошла в труппу созданного Театра на Таганке.
Дебют в кино состоялся в 1957 году в эпизоде в фильме Захара Аграненко «Ленинградская симфония». Первой главной ролью в кино стала роль Ольги Берггольц в фильме Игоря Таланкина «Дневные звёзды» в 1966 году. В 1968 году Алла Демидова по итогам опроса журнала «Советский экран» названа самой перспективной актрисой.
С 1968-го года начала играть ведущие роли в постановках Юрия Любимова.
Вместе с Владимиром Высоцким работала над постановками спектаклей «Крик» по Теннесси Уильямсу и «Федра» по Жану Расину. Воплощение обоих замыслов оборвалось в июле 1980-го года со смертью Высоцкого.
В 70-80-е годы Алла Демидова оставалась одной из самых популярных киноактрис.
В 1988 году Алла Демидова впервые сотрудничала с Романом Виктюком, сыграв роль Федры в одноимённом спектакле по пьесе Марины Цветаевой. Одновременно велись переговоры о «Федре» Расина с французским режиссером Антуаном Витезом. Репетиции оборвались смертью режиссера в 1990 году.
Ещё считаясь актрисой Театра на Таганке, Алла Демидова в 1993 году создала собственный театр «А» и начала сотрудничать с греческим режиссером Теодоросом Терзопулосом.
Выступает как автор и исполнитель поэтических программ на телевидении («Воспоминание о серебряном веке», Проект «Уроки русского» И. Бунин «Темные аллеи» 2000 г., «Звезда рождества» 2002 г.) и литературно-музыкальных композиций по поэмам Анны Ахматовой «Реквием» (совместно с камерным оркестром «Виртуозы Москвы» В. Спивакова) и «Поэме без героя».
Входит в постоянный состав независимого жюри премии в области литературы и искусства «Триумф».
Алла Демидова — автор книг: «Вторая реальность» (1980), «А скажите, Иннокентий Михайлович…» (1988), «Владимир Высоцкий» (1989), «Тени зазеркалья» (1993), «Бегущая строка памяти» (2000), «Ахматовские зеркала» (2004), «Заполняя паузу» (2007).
