Она родилась 25 октября 1925 года в ауле Булак Актюбинской области в бескрайней казахской степи. С детства оставшись сиротой, воспитывалась у родственников родителей. Из ее фронтовых писем известно, что ее родные погибли во время голода в первые этапы коллективизации.

В 1935 году дядя Алии поступил в Военно-транспортную академию, и семья Молдагуловых вместе с Алией переехала в Москву. Через несколько лет они переехали в Ленинград, куда была переведена Академия. Осенью 1939 года дядя устроил 14-летнюю Алию учиться в школу-интернат № 46, который во время войны стал детдомом. По воспоминаниям ее одноклассников, Алия была очень уверенной в себе и требовательной к окружающим. Ее отличала целеустремленность, честность и отзывчивость. Она сумела очень быстро найти общий язык с одноклассниками и ее коммуникабельность удивляла многих. 

В летние дни 1941-го года радио сообщило о нападении фашисткой Германии на Советский Союз. Молдагулова одной из первых подала заявление о поступлении на работу. Но в силу возраста ее оставили в детском доме. Старшая группа ребят принимала участие в сооружении оборонительных укреплений вокруг Ленинграда. Среди них с упорством трудилась и Молдагулова. Осень и зиму 1941-го года она дежурила на крышах домов, помогала тушить зажигалки, оказывала помощь раненым, разбирала многочисленные завалы.

В марте 1942 года детдом был эвакуирован в село Вятское Ярославской области. Здесь она закончила 7 классов средней школы и осенью уже была в Рыбинске, где поступила в авиационный техникум . Несколько раз Молдагулова подавала заявление с просьбой о зачислении в армию, но ей отказывали. 

В декабре после настойчивых просьб, семнадцатилетнюю девушку взяли в школу инструкторов снайперского дела. Все, кто учился с ней удивлялись ее выносливости и твердости характера. Как отличницу учебы Молдагуловой предложили остаться в школе инструктором, но она не согласилась и решительно настаивала на отправке в действующую армию. Алия отчаянно рвалась на фронт. Как она писала в своих письмах, ей хотелось отомстить за своих подруг, друзей, которых она потеряла на фронтовых дорогах. Но больше всего ей не давала покоя мысль о том, что ее родной город, когда-то, в тяжелые для нее времена, приютивший, вырастивший ее, сейчас находится в окружении и блокаде. 

В начале августа 1943 года девушка снайпер прибыла на северо-западный фронт, где ей предстояло в одной из воинских частей выполнять боевую работу. Первый раз в открытом бою она оказалась в составе 26-й стрелковой дивизии 2-го Прибалтийского фронта.

Однажды на рассвете она ползком добралась до выбранной огневой позиции, замаскировалась и начала наблюдение за врагом. Молдагулова заползла в подбитый немецкий танк, когда рассвело, увидела двух немецких солдат. Она мягко нажала на спусковой крючок и почти мгновенно, взмахнув руками, один из фашистов тут же упал на землю, другой бросился бежать, но пуля догнала и его. Немцы засекли ее позицию и открыли по танку минометный огонь. Девушка быстро выбралась через нижний люк и доползла до своего укрытия. Часами снайпер охотилась за добычей. 

Перед 7 ноября 1943 года немцы открыли сильный артиллерийский пулеметный огонь по переднему краю советской обороны. Они обозлились на то, что накануне Алия Молдагулова уничтожила 7 их солдат. 

Поздней осенью вместе с боевыми подругами она решила пробраться по нейтральной полосе поближе к вражеским позициям, заметив несколько фашистов, первой выстрелила в одного из них, то же сделали и ее однополчанки, уложив еще двоих, оставшихся немцев они взяли в плен. В одном документе дивизии говорится: «Алия Молдагулова с октября по декабрь 1943 года своим метким огнем уничтожила 32 гитлеровца». На ее винтовке появилась металлическая пластинка с монограммой «От ЦК комсомола за отличную стрельбу» . 

При штурме станции Насва, Молдагулова действовала с разведчиками батальона, на пути их встретил огонь вражеского миномета. Отважная девушка взяла гранату, поползла и, приблизившись к огневой точке, метнула ее. Немецкое оружие замолчало. Дорога была открыта. В этом бою она вывела из строя расчет противника. Отважно участвовала в отражении контратак и била врагов без промаха. Не выпустила винтовки и тогда, когда осколок попал ей в руку. Молдагулова сама себе сделала перевязку, а когда оптический прицел был разбит, взяла автомат и продолжала стрелять в противников. Она шесть раз поднимала бойцов своей роты в атаку словами: «Братья солдаты, за мной!». В этом сражении храбрая девушка уничтожила 10 фашистов. 

В одном из писем она написала своей сестре Сапуре: «Не удивляйся, если долго не будет от меня писем. Пиши на этот адрес — ты узнаешь причину. Передай от меня привет дяде, тёте и всем родственникам. Если увидишь, то поцелуй за меня малышей. Пиши чаще о своем здоровье, о жизни. Писать больше не буду, так как всю душу не изложишь. Пиши только, дорогая, часто — часто ! Целую. Лия». Этот треугольник оказался последним. 

14 января 1944 года она шла в первых рядах, наступавших на деревню Казачиху Калининской области. Противник во что бы то не стало хотел удержать этот пункт, шквальным огнем из всех видов оружия он встречал штурмующие цепи наших подразделений. Но ни что не могло сломить упорство советских воинов. 

Алия Молдагулова в числе первых храбрецов ворвалась на позиции противника и увлекла с собой наших воинов. Лично уничтожила 12 фашистских солдат, противник трижды переходил в контратаки , при отражении одной из них снайпер уничтожила из автомата еще 28 врагов. 

Вражеские солдаты, несмотря на численное превосходство, не выдержали рукопашной схватки и начали отступать. В узкой траншеи девушка столкнулась с немецким офицером. Хотя силы были и неравными она не растерялась и вступила в единоборство, но тут раздались выстрелы.. Пуля попала ей в грудь .. Через несколько часов Алия скончалась. 

К тому времени на ее счету числилось свыше 85 убитых немцев. Она была похоронена в деревне Монаково Псковской области. 4 июня 1944 года Алии Молдагуловой было присвоено звание Героя Советского Союза посмертно.