Nach seinem Studium an der Technischen Hochschule für Architektur in Madrid arbeitete Moneo beim dänischen Architekten Jørn Utzon, dem Architekten des Sydney Opera House. Anschließend brachte ihn ein Stipendium für zwei Jahre an die Spanische Akademie nach Rom. Nach seiner Rückkehr nach Spanien trat Moneo Lehrtätigkeiten in Madrid (1966–70) und später in Barcelona (1970–80) an. Außerdem hat er an verschiedenen Universitäten in den USA, Frankreich und der Schweiz gelehrt. Seit 1973 betreibt er ein eigenes Architekturbüro in Madrid.