לובאטו נולדה באלבקרקי שבמדינת ניו מקסיקו שבארצות הברית וגדלה בדאלאס שבמדינת טקסס, בת לזמרת קאנטרי, דיאנה. הוריה של דמי התגרשו כשהייתה בת שנתיים. לדמי אחות גדולה בשם דאלאס לובאטו, ואחות קטנה מצד אמה בשם מדיסון דה לה גרסה. אביה הביולוגי של דמי נפטר ב-22 ביוני 2013 ממחלת הסרטן. היא שיחקה בסדרת הטלוויזיה "החברים של ברני" כבר בגיל שבע ושימשה בתפקידי אורח בסדרות נוספות. כנערה, סבלה כקורבן לבריונות. היא נהגה להזיק לעצמה, תוך כדי סבל ממחלת הבולימיה. דמי חשפה את סיפורה בסרט הדוקומנטרי שנעשה עליה, "דמי לובאטו: חזקה למרות הכל", בו היא מספרת על הסבל שעברה. כמו כן, לובאטו קעקעה את הכתובת "Stay Strong" (הישארי חזקה) על ידיה, כמחוות תודה למעריציה וכדרך להסתיר את חתכיה. בגיל צעיר שיחקה בגרסה האמריקאית ל"אחרי הצלצול" בערוץ דיסני, ואף שרה שם שיר אחד, ובשנת 2008 כיכבה בסרט הטלוויזיה המוזיקלי מבית ערוץ דיסני "קאמפ רוק", שבו שרה כמה שירים. היא השתתפה גם בסרט ההמשך, "קאמפ רוק 2: הג'אם האחרון" כבת הזוג של שיין (ג'ו ג'ונאס) (2010). בשנת 2009 כיכבה בסרט "תוכנית להגנת נסיכות" בתפקיד הנסיכה רוזלינדה, לצד חברתה הטובה סלינה גומז, ולאחר מכן עברה לשחק בסדרה "תנו לסוני צ'אנס" בערוץ דיסני.