Алия Молдагулова родилась 15 июня 1925 года в ауле Булак Хобдинского района. Отец — Нурмухамбет Саркулов, мать — Маржан Молдагулова. В 1932 году она потеряла мать, и отец отдает Алию в семью дяди по материнской линии, проживающего в Алма-Ате. В 1935 году семья дяди переезжает в Ленинград, а в 1939 году, по семейным обстоятельствам, дядя отдает Алию на воспитание в детский дом № 46 г. Ленинграда. Все воспитанники этого детского дома учились в школе № 9 (ныне школа № 140). В начале войны детдом был эвакуирован в село Вятское Ярославской области. По окончании 7 класса Вятской школы, в октябре 1942 года, Алия поступила в Рыбинский авиационный техникум, чтобы стать летчиком и бомбить врага, но попала на специальность «Холодная обработка металла». Через 3 месяца 17-летняя девушка подала заявление в военкомат с просьбой отправить ее на фронт. Моложе 18 лет в армию не брали, и Алию направляют под Москву, в село Вешняки, где формировалась Центральная женская школа снайперской подготовки. В июле 1943 года Алия окончила снайпер-скую школу и была призвана на Северо-Западный фронт. Была снайпером 4-го батальона 54-й отдельной стрелковой бригады. Снайперской парой Алии Молдагуловой была Н.А. Матвеева.
«…Она не только била фашистов, она выносила с поля боя раненых и оказывала им первую помощь…» (из воспоминаний Н.А. Матвеевой). «В начале января мы маршем двинулись вдоль фронта к Новосокольникам. …Противник обрушил ответный яростный огонь, и наши пехотинцы залегли. Атака захлебнулась. Вот в эту критическую минуту Алия Молдагулова встала во весь рост и крикнула: «Братья солдаты, за мной!». И по призыву девушки бойцы поднялись…» (из воспоминаний политрука 4-го батальона Г.В. Варшавского).
14 января 1944 года в бою за деревню Казачиха Алия Молдагулова была тяжело ранена. Скончалась в госпитале. Ей шел девятнадцатый год. Похоронена в деревне Монаково Новосокольнического района Псков-ской области.
4 июня 1944 года Алие Нурмухамбетовне Молдагуловой присвоено посмертно звание Героя Советского Союза. Она также награждена орденом Ленина.
Память о героических днях Великой Отечественной войны и Алие Молдагуловой живет в названиях улиц, школ в городах Москва, Алматы, Астана, Актобе.
Ей посвящены балет «Алия», несколько стихов и поэм, множество песен. О подвиге Алии Молдагуловой сняты документальный фильм «Алия» и художественный фильм «Снайперы».