Urodziła się 29 września 1936 roku w Moskwie. Matka, Aleksandra Kharchenko, była asystentką na Uniwersytecie Moskiewskim, ojciec, Siergiej Demidov, poległ na froncie podczas wyzwolania Warszawy w 1944 roku, jej mężem jest scenarzysta Vladimir Valutsky. Od wczesnego dzieciństwa chciała zostać aktorką, grała w przedstawieniach szkolnych. Nie zdała egzaminu do Szkoły Teatralnej im. Szukina z powodu złej dykcji, więc zaczęła studiować na Wydziale Nauk Ekonomicznych Uniwersytetu Moskiewskiego, który ukończyła w 1959 roku. W tym samym roku zdała, tym razem z powodzeniem, do Szkoły Szukina. Od 1964 roku jest aktorką Teatru na Tagance. W filmie zadebiutowała w 1957 roku epizodem w Zahara Agranenko "Leningradzka symfonia". Pierwsza główna rola to postać Olgi Bergholz w filmie "Gwiazdy dzienne" Igora Tałankina z 1966 roku. Od tego czasu zagrała wiele głównych ról w znaczących filmach kinematografii radzieckiej i rosyjskiej. W latach 1970-80 Alla Demidova była najbardziej popularną aktorką radziecką. W 1993 roku Alla Demidova założyła własny teatr "A" i zaczęła współpracować z greckim reżyserem Theodorosem Terzopoulosem. W 2004 roku wystąpiła w filmie Kiry Muratowej "Nastroyshchik" (The Tuner). Za rolę w tym filmie zdobyła wiele nagród: "Nike" (2005), "Złoty Baran" (2005) i "Złoty Orzeł" (2006) w kategorii "Najlepsza aktorka". Alla Demidova jest także autorką wielu książek.