Момои родилась в Токио, Япония. В возрасте 12 лет она отправилась в Лондон, чтобы учиться танцам в Королевской академии балета. Через 3 года она вернулась в Токио. Она окончила японскую школу драматических искусств Bungakuza. В 1971 году Момои дебютировала в фильме режиссера Кона Итикавы "Ай Футатаби" ("Снова любить"). Ее карьера насчитывает 35 лет и более 60 фильмов.
Как актриса, она работала с такими режиссерами, как Акира Куросава ("Кагемуша", 1980), Тацуми Кумасиро ("Сейшун но Сатецу", 1974), Едзи Ямада ("Желтый платочек", 1977 и Отоко ва Цурайе, 1979), Шохей Имамура ("Почему бы и нет?", 1981), Шунджи Иваи ("Бабочка с махаоновым хвостом",1996), Дзюн Итикава ("Токио Якеку", 1997), Митани Коки ("С возвращением, мистер Макдональд", 1997), Есимицу Морита ("Как Асура", 2003) и Такаши Миике ("Идзо, Сукияки Вестерн Джанго").
Она сыграла в фильме "Солнце" (2005) режиссера Александра Сокурова и появилась в фильме режиссера Роба Маршалла "Мемуары гейши".
За свои выступления в кино в Японии Момои получила множество наград. Она дважды получала премию Японской киноакадемии за лучшую женскую роль и один раз за лучшую женскую роль второго плана, а также была выбрана лучшей актрисой на Нью-Йоркском международном кинофестивале 1983 года за роль в фильме "Гиваку" ("Подозрение").
Момои занималась различными проектами в области продюсирования, режиссуры, написания сценариев и дизайна в дополнение к своей актерской игре. Она также выпустила около 15 альбомов в качестве певицы и является эссеистом.
Она получила награду за лучшую женскую роль на 7-й кинопремии Хочи за фильм "Гиваку".