Алла Сергеевна Демидова родилась 29 сентября 1936 года в Москве, её род восходит к легендарным золотопромышленникам.
В школе Алла занималась в драмкружке, который вела Т. Щекин-Кротова. По окончании школы она попыталась поступить в Театральное училище имени Щукина, но не была принята из-за плохой дикции и поступила на экономический факультет МГУ. На третьем курсе университета Демидова стала актрисой Студенческого театра МГУ, позже занималась в студии при Театре Ленинского комсомола.

Вторая попытка Демидовой поступить в Щукинское училище оказалась успешной и в 1959 году Алла Демидова начала учёбу на курсе педагога Анны Орочко. На первом курсе Щукинского училища Демидова участвовала в спектакле Вахтанговского театра «Гибель богов».
В 1957 году состоялся кинодебют А.Демидовой в фильме «Ленинградская симфония». Всего же актриса снялась в 44 кинофильмах.
В 1964 году она с отличием окончила училище и решила поступить в Вахтанговский театр, но её не взяли и она стала одной из основных актрис Театра на Таганке.
Особый блестяще Демидова проявила себя в мастерстве художественного чтения. В 1982 году она с большим успехом прочла «от автора» текст в фильме «Пиковая дама». На концертах, как правило с музыкальным сопровождением, актриса читала «Реквием» и «Поэму без героя» А.Ахматовой, представляла аудитории собственные оригинальные интерпретации произведений А.Пушкина, И.Бунина, поэтов Серебряного века. Постепенно критики признали, что неканоническое произношение обернулось голосовым своеобразием.
На формирование представлений актрисы о том, какими должны быть её авторские программы, оказал влияние Джорджо Стрелер. В мае 1987 года он пригласил на свой юбилей в Милан два спектакля А. фроса: «Вишнёвый сад» и «На дне». Познакомившись с Демидовой, Стрелер — тогда директор «Театра Наций» — пригласил её представлять Россию в проекте «Голоса Европы».
Характерной особенностью выступлений Демидовой является способность читать поэзию, не пользуясь микрофоном; она делала это даже на стадионе в Греции, а училась этому искусству, в частности, у японских актёров, в театре Кабуки.Некоторые исследователи впоследствии пришли к выводу, что именно в авторских программах Алла Демидова сумела в полной мере реализовать те глубинные качества своего дарования, которые оказывались неподвластными режиссёрскому анализу.
В 2008 году А. Демидова заявила, что практически утратила интерес к актёрской работе и теперь откликается лишь на отдельные проекты, которые ей интересны.
Алла Сергеевна - Народная артистка РСФСР (1984). Лауреат Государственной премии СССР (1977), премий имени Станиславского (1993), Президента Российской Федерации в области литературы и искусства (2001), «Кумир» (2009) . Награждена Орденами Дружбы (1997) и «За заслуги перед Отечеством» IV степени (2007).