Moroder dio sus primeros pasos en la música en Berlín al lanzar algunos sencillos bajo el nombre de «Giorgio» a partir de 1966, cantando en italiano, español, inglés y alemán. Saltó a la fama en 1969, cuando su tema «Looky Looky», publicado por Ariola Records, recibió un disco de oro en octubre de 1970. A principios de la década de 1970, comenzó a hacerse un nombre en los estudios de toda Alemania. A menudo en colaboración con el letrista Pete Bellotte, Moroder tuvo varios éxitos bajo su propio nombre, entre ellos «Son of My Father» en 1972, antes de lanzar From Here to Eternity, un álbum impulsado por sintetizadores que fue un notable éxito en las listas en 1977, y al año siguiente lanzó «Chase», el tema principal de la película Midnight Express. Estas canciones alcanzaron cierto éxito en las listas de ventas del Reino Unido, Estados Unidos y toda Europa, y en todos los lugares donde se extendía la «discomanía». La banda sonora completa de Midnight Express le valió su primer Premio de la Academia a la mejor banda sonora en 1978. En 1979, Moroder lanzó su álbum E=MC². El texto en la portada del álbum indicaba que se trataba del «primer álbum electrónico de grabación directa a digital». También lanzó tres álbumes entre 1977 y 1979 bajo el nombre de Munich Machine.

A lo largo de gran parte de su carrera musical, Moroder ha participado en la composición de bandas sonoras para diversas películas.

En 1978, compuso la banda sonora ganadora del Premio de la Academia para Midnight Express, que incluía una de sus piezas más conocidas, «Chase».

En 1980, compuso y produjo dos álbumes de bandas sonoras: el primero para Foxes y el segundo para American Gigolo. Se lanzó un álbum doble con la banda sonora de Foxes bajo el sello disco Casablanca Records, que incluye el sencillo de éxito de Donna Summer «On the Radio», que Moroder produjo y coescribió. La banda sonora de American Gigolo incluía «Call Me» de Blondie, producida por Moroder, un éxito que alcanzó el número uno en Estados Unidos y el Reino Unido. Todos los sencillos del álbum también llegaron al número dos durante cinco semanas en las listas de música disco y dance. En 1982 compuso la banda sonora de la película Cat People, que incluía el sencillo de éxito «Cat People (Putting Out Fire)» con la participación de David Bowie.

En 1983, Moroder produjo la banda sonora de la película Scarface. Durante su lanzamiento inicial, el álbum solo estuvo disponible en unos pocos países y, en Estados Unidos, exclusivamente a través de importación. Entre los temas más destacados producidos por Moroder se encuentran «Scarface (Push It to the Limit)» de Paul Engemann, «Rush Rush» de Debbie Harry y «She’s on Fire» de Amy Holland. En 2006, la banda sonora se incluyó en el videojuego Scarface: The World Is Yours, basado en la película, que también incluye algunas piezas instrumentales inéditas de Moroder.

En 1984, Moroder realizó una nueva restauración y edición de la película muda Metrópolis (1927) y le añadió una banda sonora contemporánea. Esta banda sonora incluye siete canciones pop de Pat Benatar, Jon Anderson, Adam Ant, Billy Squier, Loverboy, Bonnie Tyler y Freddie Mercury. También integró los intertítulos antiguos en la película como subtítulos para mejorar la continuidad, y aumentó la velocidad de la película a 24 fotogramas por segundo. Dado que se desconocía la velocidad original, esta decisión fue controvertida. Conocida como la «versión de Moroder», desató un debate entre los cinéfilos, con críticos y defensores de la película divididos en bandos iguales.

Moroder también compuso la música de otras películas en las décadas de 1970 y 1980, entre ellas Flashdance, La historia interminable, Thief of Hearts, Electric Dreams, Cat People y Over the Top.

En 1984, Moroder trabajó con Philip Oakey, de The Human League, para producir el álbum Philip Oakey & Giorgio Moroder; este fue un éxito en la lista de sencillos del Reino Unido con «Together in Electric Dreams», tema principal de la película de 1984 Electric Dreams. Ese mismo año colaboró con Limahl, líder de Kajagoogoo, en su éxito mundial «Neverending Story». En 1986, Moroder colaboró con su protegido Harold Faltermeyer (de «Axel F.») y el letrista Tom Whitlock para crear la banda sonora de la película Top Gun (1986), que incluía el éxito de Kenny Loggins «Danger Zone» y «Take My Breath Away» de Berlin. También compuso el tema principal de la película Over The Top («Meet Me Half Way»), que también interpretó Kenny Loggins. «Chase» se utilizó además como tema de entrada para el grupo de lucha libre The Midnight Express. En 1987, Moroder produjo la canción de Falco «Body Next to Body».

En 1997, Moroder y Donna Summer ganaron el Premio Grammy al Mejor Grabación de Música Dance por la canción «Carry On».

El 20 de septiembre de 2004, Moroder fue homenajeado en la ceremonia del Salón de la Fama de la Música Dance, celebrada en Nueva York, donde fue incluido por sus numerosos logros y contribuciones sobresalientes como productor. En 2005, el entonces presidente de la República Italiana, Carlo Azeglio Ciampi, le otorgó el título de Commendatore. El 5 de septiembre de 2010, Moroder recibió la Gran Orden al Mérito del Tirol del Sur.

En 2002, compuso la banda sonora de la última película de Leni Riefenstahl, Impressionen unter Wasser, un documental marino.

En 2013, se reveló que Moroder había estado trabajando con Daft Punk como colaborador en su cuarto álbum de estudio, Random Access Memories; admitió que ya era fan de su canción «One More Time» antes de trabajar con el grupo. Su voz y su historia aparecen en la canción del álbum «Giorgio by Moroder».

En 2015 lanzó el álbum de dance-pop Déjà Vu, que contó con colaboraciones de Kylie Minogue, Sia, Britney Spears, Mikky Ekko y Charli XCX. El tema «Right Here, Right Now», junto a Minogue, alcanzó la cima de la lista Dance Club Songs de EE. UU. en abril de ese año, lo que supuso el primer sencillo número uno de Moroder en quince años. Ese año realizó una gira con la artista australiana y colaboró en su EP Kylie + Garibay, lanzado en septiembre. En 2016 se asoció con el compositor Raney Shockne para crear la música del videojuego Tron RUN/r y produjo la canción «One More Day» para el grupo de K-pop Sistar. En 2019, Moroder lanzó una gira que abarcaba tanto su catálogo clásico como material más reciente y remixes. En 2016, Giorgio Moroder donó los 13 discos de platino de Flashdance al Museo Gherdëina de su ciudad natal.