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" (роль: госпожа Янг), в постановке Юрия Любимова, в 1964 году Алла Демидова 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 звезды" 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 одноименном 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" 2000г., "Звезда рождества" 2002г.) 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".
